JP4497796B2

JP4497796B2 - Surface emitting semiconductor laser, surface emitting semiconductor laser array, optical communication system, optical writing system, and optical pickup system

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Publication number: JP4497796B2
Application number: JP2002191816A
Authority: JP
Inventors: 俊一佐藤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2002-07-01
Filing date: 2002-07-01
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2022-07-01
Also published as: JP2004039717A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光型半導体レーザおよび面発光型半導体レーザアレイおよび光通信システムおよび光書き込みシステムおよび光ピックアップシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、面発光型半導体レーザは、基板に対して垂直方向に光を出射する半導体レーザであり、端面発光型に比べて低コストで高性能が得られることから、光インターコネクションの光源，光ピックアップ用の光源等の民生用途で用いられている。
【０００３】
面発光型半導体レーザは、レーザ光を発生する活性層を含む活性領域を反射鏡で挟んだ構造となっている。その反射鏡としては、低屈折率層と高屈折率層とを交互に積層した半導体分布ブラッグ反射鏡が広く用いられている。半導体分布ブラッグ反射鏡の材料としては、活性層から発生する光を吸収しない材料（一般に活性層よりワイドバンドギャップの材料）であって、格子緩和を発生させないために基板に格子整合する材料が用いられる。
【０００４】
ところで、反射鏡の反射率は９９％以上と極めて高くする必要があり、反射率は積層数を増やすことによって高くすることができる。しかし、積層数が増加すると、面発光型半導体レーザの作製が困難になってしまう。このため、低屈折率層と高屈折率層の屈折率差が大きい方が好ましい。ＡｌＧａＡｓ系材料は、ＡｌＡｓとＧａＡｓが終端物質であり、格子定数は基板であるＧａＡｓとほぼ同程度であり、屈折率差が大きく、少ない積層数で高反射率を得ることができるので、良く用いられている。
【０００５】
また、低しきい値化のためには電流狭さく構造が用いられている。特開平７−２４０５０６号には、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなる半導体分布ブラッグ反射鏡による共振器と、イオン注入により高抵抗層を形成した電流狭さく構造とを用いた構造が示されている。また、特許第２９１７９７１号には、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓからなる半導体分布ブラッグ反射鏡による共振器と、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓの一部を選択的に酸化した酸化膜を用いた電流狭さく構造を用いた面発光型半導体レーザが示されている。ここで、酸化には、高温での水蒸気供給による酸化が用いられている。高温での水蒸気供給による酸化は、Ａｌ_ｘＯ_ｙのような完全な絶縁体になること、また、活性層と狭さく層との距離を結晶成長で厳密に制御できること、また、電流通路を極めて狭くできることから、無効電流の低減，活性領域の低減に向き、低消費電力化に適しており、最近良く用いられている。
【０００６】
特許第２９１７９７１号では、ＡｌＧａＡｓのＡｌ組成が大きくなるに従って酸化速度が激増していくことを利用しており、酸化したい層のＡｌ組成を他よりも大きくすることで、酸化したい層のみを酸化するようにしている。これにより、選択酸化による電流狭さく構造を得ることができる。このため、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層のＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成は、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ酸化層のＡｌ組成よりも小さくしている（つまり、Ｇａ組成を大きくしている）。特許第２９１７９７１号では、被選択酸化層にＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ｙ＝０．９７）を用い、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層にはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９２）が用いられている。
【０００７】
このように、反射鏡と電流狭窄構造の点から、従来、ＡｌＧａＡｓ系材料を用いた０．７８μｍ帯，０．８５μｍ帯，０．９８μｍ帯に反射帯域を有する分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）、及びこれを共振器ミラーとした同波長帯の面発光型半導体レーザが実用レベルの性能を実現している。
【０００８】
一方、波長０．６μｍ帯で発振する面発光型半導体レーザは、プラスチックファイバー（ＰＯＦ：ＰｌａｓｔｉｃＯｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒ）を用いた光通信や、レーザプリンタ，ＣＤ，ＤＶＤ等の光書き込み，再生用光源として期待されている。安価なアクリル系プラスチックファイバーの低損失領域が赤色波長帯であり、ＰＯＦによる光通信は極めて低コストな光通信システムとして期待される。
【０００９】
波長０．６μｍ帯では、ＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＩｎＰ系材料が用いられており、端面発光型レーザでは実績がある。ＡｌＧａＩｎＰ系材料は、ＡｌＧａＩｎＮ系材料を除きIII−Ｖ族半導体のなかで最も大きい直接遷移型の材料であり、バンドギャップエネルギーは最大で約２．３ｅＶ（波長５４０ｎｍ）が得られる。半導体レーザを作製するためには、クラッド層（活性層よりもバンドギャップの大きい材料からなる）を用い、キャリアと光を活性層（発光層）に閉じ込める構造が必要である。しかしながら、ＡｌＧａＩｎＰ系材料は、ヘテロ接合を形成すると伝導帯のバンドオフセット比が小さく、活性層（発光層）とクラッド層と伝導帯側のバンド不連続（△Ｅｃ）が小さいので、注入キャリア（電子）が活性層からクラッド層にオーバーフローしやすく半導体レーザの発振しきい値電流の温度依存性が大きく、温度特性が悪いなどの問題があった。面発光型では端面発光型に比べてレーザ動作に必要なキャリア密度が高くなるので特に厳しい。
【００１０】
さらに、０．７８μｍ帯，０．８５μｍ帯，０．９８μｍ帯で実用化されているＡｌＧａＡｓ系材料を用いた半導体分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）を形成する場合でも制限がある。例えば特開２０００−１９６１８９には、赤色面発光型半導体レーザの例が示されている。この赤色面発光型半導体レーザは、波長が０．６μｍ帯であり、光吸収を避けるためにＡｌ組成０．５以上が一般に用いられ、低屈折率層と高屈折率層との屈折率差を大きく取れないので積層数が増加してしまう。すなわち、低屈折率層と高屈折率層との屈折率差は、０．９８μｍ帯のＤＢＲに比べて半分にもなり、積層数は２倍となってしまい、抵抗上昇，放熱が悪い等の問題が生じる。更に、実際には各層の膜厚の揺らぎのため積層数を増加させても充分高い反射率が得られず、また高反射率となる波長範囲も狭くなり、共振器長の制御の余裕は極めて小さくなる。これは波長が短波長になるほど影響が大きい。
【００１１】
また、ＤＢＲの低屈折率層と高屈折率層との屈折率差を大きく取れる材料として、ＡｌＧａＩｎＰ系材料を用いる検討がなされている（Ｒ．Ｐ．Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ等による文献「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６０（１５），１３Ａｐｒｉｌ１９９２，Ｐ１８３０」）。具体的には、（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_０ _．５Ｉｎ_０．５Ｐ／Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ（ｙ＝０．２程度）を用いる検討がなされている。しかしながら、この材料系は、組成のわずかなずれで格子定数が大きく変わる材料系であり、しかもＩｎの供給量を厳密にコントロールするのが難しく、ＤＢＲ数１０層をすべて厳密に組成コントロールするのはむずかしい。また、低屈折率層と高屈折率層との間に組成傾斜層を入れて抵抗を低減する方法が通常用いられるが、この方法では、格子定数を変えないでコントロールするのが難しい。更に、混晶の構成元素数が多いほど、また、混晶の組成が中心に近いほど、熱抵抗が大きくなるので、放熱の点でＤＢＲに好ましい材料とは言えない。このため、波長０．６μｍ帯の面発光型半導体レーザの研究開発においてもＡｌＧａＡｓ系材料が主に用いられている。
【００１２】
また、発熱が生じるのは、主に活性層や反射鏡であり、結晶成長した側（主表面）である。放熱を積極的に行うために主表面をヒートシンク等に実装し、基板側から光を取り出す方法が考えられるが、波長０．６μｍ帯では基板のＧａＡｓで吸収されてしまうため、この方法が取れない。
【００１３】
また、特開平１０−２００２０２号には、上記キャリアのオーバーフローを抑制するためにＧａＩｎＰ基板を用い、これに格子整合する材料系で形成された面発光型半導体レーザが提案されている。この面発光型半導体レーザでは、ＡｌＩｎＰ／ＧａＩｎＰ系反射鏡を用いている。しかしながら、ＧａＩｎＰ基板は、作製が極めて困難であり、その上に高品質の結晶成長が得られないこと、また、反射鏡が３元系であり熱抵抗が大きいこと、また、抵抗低減のための組成傾斜層の制御が困難なことなど、実用化は難しい。
【００１４】
これらのため、ＰＯＦの吸収損失がボトムとなる波長６５０ｎｍでは、現状で室温でやっと連続動作ができた報告（Ｋ．Ｄ．Ｃｈｏｑｕｅｔｔｅ等による文献「ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，６^ｔｈＪｕｌｙ１９９５，Ｖｏｌ．３１Ｎｏ．１４，Ｐ１１４５」）がある程度である。
【００１５】
以上のような理由から、波長０．７８μｍよりも短波長帯の面発光型半導体レーザの実用化はされていない。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、特に０．７８μｍよりも短波長帯においてＡｌＧａＡｓ系材料よりも積層数を少なくでき、実用化に適した面発光型半導体レーザおよび面発光型半導体レーザアレイおよび光通信システムおよび光書き込みシステムおよび光ピックアップシステムを提供することを目的としている。
【００１７】
すなわち、本発明は、少ない積層数で反射率を高め、発熱を低減し、放熱を改善することにより、実用レベルの面発光型半導体レーザおよび面発光型半導体レーザアレイおよび光通信システムおよび光書き込みシステムおよび光ピックアップシステムを提供することを目的としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、ＧａＰ半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の活性層を含む活性領域と、レーザ光を得るために活性領域の上部および下部に設けられている上部反射鏡および下部反射鏡を含む共振器構造を有し、波長が０．７８μｍよりも短い面発光型半導体レーザにおいて、
前記活性領域は、ＧａＡｓに格子整合するＡｌＧａＩｎＰ系材料からなり、また、少なくとも下部反射鏡は、ＧａＰに格子整合するＡｌＧａＰ系材料からなり、屈折率が小なるＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＰ（０＜ｘ≦１）層と屈折率が大なるＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＰ（０≦ｙ＜ｘ≦１）層とが積層されている半導体分布ブラッグ反射鏡であって、光の取り出しは、前記活性領域に対して前記ＧａＰ基板とは反対側からなされることを特徴としている。
また、請求項２記載の発明は、請求項１に記載の面発光型半導体レーザにおいて、前記下部反射鏡は、前記ＧａＰに格子整合するＡｌＧａＰ系材料からなり、前記上部反射鏡は、ＧａＡｓに格子整合するＡｌＧａＡｓ系材料からなることを特徴としている。
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の面発光型半導体レーザにおいて、前記下部反射鏡は、前記ＧａＰに格子整合するＡｌＧａＰ系材料からなる第１の反射鏡の上にＧａＡｓに格子整合するＡｌＧａＡｓ系材料からなる第２の反射鏡が積層されており、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡との間にウエハ接着界面があることを特徴としている。
また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザにおいて、前記半導体分布ブラッグ反射鏡は、前記屈折率が小なる層と前記屈折率が大なる層との間に、該屈折率が異なる２種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層が設けられていることを特徴としている。
【００２７】
また、請求項５記載の発明は、請求項２乃至請求項４のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザにおいて、前記上部反射鏡内にＡｌ，Ａｓを主成分としたＡｌＡｓを選択的に酸化した電流狭さく層を有していることを特徴としている。
【００２９】
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザによって構成されていることを特徴とする面発光型半導体レーザアレイである。
【００３０】
また、請求項７記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項６記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光送信モジュールである。
【００３１】
また、請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項６記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光送受信モジュールである。
【００３２】
また、請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項６記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光通信システムである。
【００３３】
また、請求項１０記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項６記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光書き込みシステムである。
【００３４】
また、請求項１１記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項６記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光ピックアップシステムである。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【００３６】
第１の実施形態
本発明の第１の実施形態の半導体分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）は、屈折率が周期的に変化し、入射光を光波干渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡であって、屈折率が小なる層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＰ（０＜ｘ≦１）からなり、屈折率が大なる層はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＰ（０≦ｙ＜ｘ≦１）からなることを特徴としている。
【００３７】
ＡｌＧａＰ系ＤＢＲは、これまでＧａＰ基板にレーザ発振可能な材料を結晶成長できなかったために検討されなかった。しかし、ＡｌＰ，ＧａＰを終端物質としたＡｌＧａＰ系材料は、Ａｌ組成によらずＧａＰと格子定数が近く、ＧａＰ基板上に結晶成長でき屈折率差も大きい。これは、ＡｌＡｓ，ＧａＡｓを終端物質としたＡｌＧａＡｓ系材料と同様な傾向である。具体的に、格子定数は、ＧａＰ：５．４４９５オングストローム、ＡｌＰ：５．４６２５オングストロームであり、ＧａＡｓ：５．６５３２５オングストローム、ＡｌＡｓ：５．６６１１オングストロームである。屈折率（バンドギャップ波長における）は、ＧａＰ：３．４５２、ＡｌＰ：３．０３であり、ＧａＡｓ：３．６５５、ＡｌＡｓ：３．１７８である。よって、ＡｌＧａＰ系材料は、ＡｌＧａＡｓ系材料と同様に、半導体分布ブラッグ反射鏡の材料として適していると考えられる。更にＡｌＧａＰ系材料は、ＡｌＧａＡｓ系材料に比べてバンドギャップエネルギーが大きいことから、およそ０．５５μｍよりも長波長帯の光を透過する。よって、０．５５μｍよりも長波長帯においてＡｌＧａＰの全組成範囲を用いることができ、特に０．７８μｍよりも短波長帯においてＡｌＧａＡｓ系材料よりも適した半導体分布ブラッグ反射鏡が形成できる。
【００３８】
第２の実施形態
本発明の第２の実施形態の半導体分布ブラッグ反射鏡は、屈折率が異なる２種の半導体層を積層してなる半導体分布ブラッグ反射鏡において、屈折率が異なる２種の半導体層は、屈折率が小なる層と屈折率が大なる層とであって、屈折率が小なる層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＰ（０＜ｘ≦１）からなり、屈折率が大なる層はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＰ（０≦ｙ＜ｘ≦１）からなり、前記屈折率が異なる２種の半導体層の間に、屈折率が異なる２種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層が設けられていることを特徴としている。具体的には、屈折率が異なる２種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＰ（０≦ｙ＜ｚ＜ｘ≦１）が設けられている。
【００３９】
この第２の実施形態では、屈折率が異なる２種の半導体層を積層してなる半導体分布ブラッグ反射鏡において、屈折率が異なる２種の半導体層は、屈折率が小なる層と屈折率が大なる層とであって、屈折率が小なる層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＰ（０＜ｘ≦１）からなり、屈折率が大なる層はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＰ（０≦ｙ＜ｘ≦１）からなり、前記屈折率が異なる２種の半導体層の間に、屈折率が異なる２種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層が設けられていることによって、反射鏡に電気を流す場合、屈折率が小なる層と屈折率が大なる層とのバンド不連続を滑らかにすることができ、高抵抗化を抑制できる。なお、屈折率が異なる２種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層のＧａ組成ｚについては、これを階段状に変化させても良く、連続的に変化させても良い。
【００４０】
第３の実施形態
本発明の第３の実施形態の面発光型半導体レーザは、半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の活性層を含む活性領域と、レーザ光を得るために活性領域の上部および下部に設けられている上部反射鏡および下部反射鏡とを含む共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、上部反射鏡および／または下部反射鏡には、第１または第２の実施形態の半導体分布ブラッグ反射鏡が用いられることを特徴としている。
【００４１】
ＡｌＧａＰ系材料は、ＡｌＧａＡｓ系材料に比べてバンドギャップエネルギーが大きいことから、およそ０．５５μｍよりも長波長の光を透過し、０．６μｍ帯等の０．７８μｍよりも短波長帯において、光吸収の生じない材料を半導体分布ブラッグ反射鏡（単に反射鏡ともいう）に用いることができ、かつ屈折率差を大きく取れるので、ＡｌＧａＡｓ系材料を用いるよりも容易に９９％以上の高反射率が得られ、積層数を半分程度に低減できる。これにより抵抗を低減できる。
【００４２】
さらに、関連材料の熱伝導率は、それぞれ、ＧａＡｓ：０．５４Ｗｃｍ^−１Ｋ^−１、ＡｌＡｓ：０．９１Ｗｃｍ^−１Ｋ^−１、ＧａＰ：１．１Ｗｃｍ^−１Ｋ^−１、ＡｌＰ：：０．９Ｗｃｍ^−１Ｋ^−１である。このようにＡｌＧａＰ系材料の熱伝導率は、ＡｌＧａＡｓ系材料よりも大きいので、放熱が良くなり、動作時の温度上昇を抑制でき、低しきい値，高出力化ができ、更に温度特性が向上する。なお熱伝導の効果については、０．６μｍ帯のみならず他の波長範囲（０．７８μｍ、０．８５μｍ、０．９８μｍ、１．３μｍ、１．５５μｍ帯等の長波長帯）でも効果がある。
【００４３】
第４の実施形態
本発明の第４の実施形態の面発光型半導体レーザは、半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の活性層を含む活性領域と、レーザ光を得るために活性領域の上部および下部に設けられている上部反射鏡および下部反射鏡を含む共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、前記活性領域は、ＧａＡｓに格子整合する材料からなり、また、前記上部反射鏡および／または下部反射鏡は、ＧａＰに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡であることを特徴としている。
【００４４】
ＧａＰ基板上に結晶成長できる材料は、間接遷移材料が多く、レーザ発振可能となるような材料を得るのは困難であるが、ＧａＡｓ基板上に臨界膜厚以下の厚さで結晶成長可能な材料には、ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＧａＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＧａＰＡｓ，ＧａＩｎＰＡｓ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ，ＧａＡｓＳｂなどの半導体レーザの活性層として充分な品質で形成可能な材料がある。これらの活性層を用い、かつＧａＰ基板上に臨界膜厚以下の厚さで結晶成長可能な材料であるＡｌＧａＰ系材料を用いて反射鏡を形成した場合、従来のＡｌＧａＡｓ系反射鏡と比較して熱伝導率が高く、放熱が改善された温度特性の良好な面発光型半導体レーザを実現できる。また、ＡｌＧａＰ系材料がＡｌＧａＡｓ系材料に比べてワイドギャップであるので、特に７８０ｎｍよりも短波長とした場合は、屈折率差を大きく取れ、少ない積層数で高反射率を容易に得られ、吸収も低減され、低しきい値，高出力の面発光型半導体レーザが得られる。この場合、活性層の材料としては、ＧａＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＡｌＧａＡｓ，ＧａＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓ等が挙げられる。
【００４５】
第５の実施形態
本発明の第５の実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法は、第１ＧａＰ基板上に第１半導体分布ブラッグ反射鏡を結晶成長する工程と、ＧａＡｓ基板上に活性領域を結晶成長させる工程と、第２ＧａＰ基板上に第２半導体分布ブラッグ反射鏡を結晶成長させる工程と、活性領域と第１半導体分布ブラッグ反射鏡とを接着し、ＧａＡｓ基板を除去する工程と、活性領域と第２半導体分布ブラッグ反射鏡とを接着する工程とを有していることを特徴としている。
【００４６】
第１，第２反射鏡に使われるＡｌＰ，ＧａＰを終端物質としたＡｌＧａＰ系材料は、ＧａＰと格子定数が近くＧａＰ基板上に結晶成長でき、屈折率差も大きい。これは、ＡｌＡｓ，ＧａＡｓを終端物質としたＡｌＧａＡｓ系材料と同様な傾向である。また、例えば波長０．６μｍ帯は、ＧａＡｓ基板にミスフィット転位なしに成長できるＡｌＧａＩｎＰ系材料により活性層を含む活性領域を形成できる。そして、これらを接着することによって面発光型半導体レーザを形成できる。なお、一方の半導体分布ブラッグ反射鏡と活性領域を接着後、ＧａＡｓ基板はエッチング等で除去する。接着の方法としては、それぞれの表面を洗浄して貼り合わせ、６００℃などの高温で熱処理を行うことで接着できる。
【００４７】
第６の実施形態
本発明の第６の実施形態の面発光型半導体レーザは、半導体基板上に、ＧａＰに格子整合する材料からなる第１半導体分布ブラッグ反射鏡と、ＧａＡｓに格子整合する材料からなる活性領域と、ＧａＡｓに格子整合する材料からなる第２半導体分布ブラッグ反射鏡とを有していることを特徴としている。
【００４８】
ＧａＰは、ＧａＡｓに比べて約２倍の熱伝導率を有しており、放熱性が良い。よって、動作時の発熱を良く逃がすことができるので、温度特性が良好になる。また、ＧａＰ基板上に結晶成長できる材料は、間接遷移材料が多く、レーザ発振可能となるような材料を得るのは困難であるが、ＧａＡｓ基板上には、レーザ発振可能となる材料を容易に形成可能である。すなわち、ＧａＡｓに格子整合する材料からなる活性領域は、ＧａＡｓ基板上に容易に形成可能である。
【００４９】
なお、上述のように、第１，第２半導体分布ブラッグ反射鏡としてはＧａＰ基板上に結晶成長した材料を用いるのが好ましいが、第１，第２反射鏡のどちらかまたは両方の反射鏡と、活性領域とをともに、ＧａＡｓ基板上に結晶成長して、ＧａＰ基板を接着してもＧａＰ基板による放熱の効果がある。
【００５０】
第７の実施形態
本発明の第７の実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法は、ＧａＰ基板上に第１半導体分布ブラッグ反射鏡を結晶成長する工程と、ＧａＡｓ基板上に第２半導体分布ブラッグ反射鏡と活性領域を結晶成長する工程と、活性領域と第１半導体分布ブラッグ反射鏡とを接着する工程とを有していることを特徴としている。
【００５１】
第１反射鏡に使われるＡｌＰ，ＧａＰを終端物質としたＡｌＧａＰ系材料は、ＧａＰと格子定数が近くＧａＰ基板上に結晶成長でき、屈折率差も大きい。これは、ＡｌＡｓ，ＧａＡｓを終端物質としたＡｌＧａＡｓ系材料と同様な傾向である。また、例えば波長０．６μｍ帯はＧａＡｓ基板にミスフィット転位なしに成長できるＡｌＧａＩｎＰ系材料により活性層を含む活性領域を形成できる。第２半導体分布ブラッグ反射鏡はＧａＡｓ基板上に上記活性領域と連続してＡｌＧａＡｓ系材料を用いて形成できる。そしてこれらを接着することにより上記面発光型半導体レーザを形成できる。接着の方法としては、それぞれの表面を洗浄して貼り合わせ、６００℃などの高温で熱処理を行うことで接着できる。
【００５２】
第８の実施形態
本発明の第８の実施形態の面発光型半導体レーザは、第４または第６の実施形態の面発光型半導体レーザにおいて、ＧａＡｓに格子整合する材料からなる活性領域とＧａＰに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡との間に、ＧａＡｓに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡の一部が形成されており、前記ＧａＰに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡と前記ＧａＡｓに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡の一部とが接着されていることを特徴としている。
【００５３】
ウエハ接着界面が活性層近傍であると、活性層で発生する熱や、閉じ込められた光が作用して、ＧａＰ系材料とＧａＡｓ系材料との格子定数の違いによる結晶欠陥が起源となって活性層に影響を及ぼし、信頼性を低下させてしまう場合がある。この第８の実施形態のようにウエハ接着界面と活性層との間にＧａＡｓ基板に格子整合するＡｌＧａＡｓ系反射鏡を設け、活性層と接着界面を遠ざけることで、上記影響が及ぶのを防止することができる。
【００５４】
第９の実施形態
本発明の第９の実施形態の面発光型半導体レーザは、第４，第６または第８の実施形態の面発光型半導体レーザにおいて、前記半導体基板はＧａＰ基板であって、光の取り出しは、ＧａＰ基板側からなされるように構成されていることを特徴としている。
【００５５】
ＧａＰ基板は、およそ０．５５μｍよりも長波長帯の光に対して透明であり、光の取り出しが可能である。よって、発熱が主に生じる側にヒートシンク等を取り付けられる、いわゆるジャンクションダウン実装が可能となり、極めて放熱性を良くでき、温度特性を良好にすることができる。また、実装基板の方に配線等を作製しておき、はんだ等を介してボンディングすると、ワイヤーボンディングが不要となるので、アレイ素子の場合、特に経済性の面で効果的である。
【００５６】
第１０の実施形態
本発明の第１０の実施形態の面発光型半導体レーザは、第４，第６，第８または第９の実施形態の面発光型半導体レーザにおいて、Ａｌ，Ａｓを主成分としたＡｌＡｓを選択的に酸化した電流狭さく層を有していることを特徴としている。
【００５７】
Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓにＰを添加することで、屈折率が小さくなるとともに酸化速度が低下することが、酸化実験によりわかった。ＡｌＡｓにＧａやＩｎを添加すると酸化速度がＧａやＩｎ組成の増加に伴って急激に低下することは良く知られているが、Ｐを添加した時の振る舞いは知られていなかった。そこで、ＧａＡｓ基板上のＡｌＡｓと、ＧａＡｓ基板上に組成傾斜層を介して成長されたＧａＡｓ_０．６Ｐ_０．４エピ基板上のＡｌＡｓ_０．６Ｐ_０．４とに対し、高温中での水蒸気による酸化を行った。それぞれ厚さは４０ｎｍでクラッド層ではさんであり、エッチングにより被選択酸化層の側面が現れるまでメサを形成し、側面から酸化を行なった。この結果、ＡｌＡｓは、４４０℃、１０分間で８μｍ酸化され、Ａｌ_ｘＯ_ｙとなった。一方、ＡｌＡｓ_０．６Ｐ_０．４は５００℃、２０分間でもほとんど酸化されなかった。よって、III族がＡｌのみであるにもかかわらず、Ｐが含まれることで酸化速度を低下させることがわかった。つまり、ＡｌＧａＰ系ＤＢＲは、ＡｌＰであっても酸化速度はＡｌＡｓに比べて極めて遅い。よって、ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲのように酸化層よりもＡｌ組成の小さいＡｌＧａＡｓをＤＢＲに用いる必要はなく、Ａｌ組成の大きなＡｌＧａＰを用いることができる。よって半導体分布ブラッグ反射鏡の屈折率差を小さくすることなく半導体分布ブラッグ反射鏡の酸化を抑えることができるので、半導体分布ブラッグ反射鏡の層数を増やすことなく、選択酸化層による電流狭さく構造を採用でき、面発光型半導体レーザの低消費電力化と薄膜化とを両立させることができる。
【００５８】
第１１の実施形態
本発明の第１１の実施形態の面発光型半導体レーザは、第４，第６，第８，第９または第１０の実施形態の面発光型半導体レーザにおいて、活性領域が少なくともＧａ，Ｉｎ，Ｐを含み、波長が０．７８μｍよりも短いことを特徴としている。
【００５９】
ＡｌＧａＰ系材料は、ＡｌＧａＡｓ系材料に比べてバンドギャップエネルギーが大きいことから、およそ０．５５μｍよりも長波長帯の光を透過し、特に０．７８μｍよりも短波長帯において光吸収の生じない材料を反射鏡に用いることができ、かつ屈折率差を大きく取れるので、ＡｌＧａＡｓ系材料を用いるよりも容易に９９％以上の高反射率が得られ、積層数を半分程度に低減でき、低抵抗の半導体分布ブラッグ反射鏡が形成できる。さらにＡｌＧａＰ系材料の熱伝導率は、ＡｌＧａＡｓ系材料よりも大きいので、放熱が良くなり、動作時の温度上昇を抑制でき、温度特性が向上する。ＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＩｎＰ系材料は、０．６μｍ帯から０．７８μｍよりも短波長の波長を得ることができる。よって、第４，第６，第８，第９，第１０の実施形態によれば、ＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる活性領域を用いた波長が０．７８μｍよりも短い面発光型半導体レーザを、低しきい値，高出力，良好な温度特性で作製できる。活性層としては例えばＧａＩｎＰ量子井戸を用い、ＡｌＧａＩｎＰを障壁層やスペーサ（クラッド）層として用いることができる。
【００６０】
第１２の実施形態
本発明の第１２の実施形態の面発光型半導体レーザアレイは、第１１の実施形態の面発光型半導体レーザによって構成されていることを特徴としている。
【００６１】
本発明の面発光型半導体レーザは、発熱，放熱が改善されたので、アレイとした場合、他の素子で発生した熱の干渉による特性劣化（しきい値上昇，出力低下など）が低減し、高性能の面発光型半導体レーザアレイを実現できる。さらに他の素子への熱の影響を低減できることから、素子間の間隔を狭くできるなどのメリットがある。
【００６２】
第１３の実施形態
本発明の第１３の実施形態の光送信モジュールは、第４，第６，第８，第９，第１０または第１１の実施形態の面発光型半導体レーザ、または、第１２の実施形態の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴としている。
【００６３】
本発明の面発光型半導体レーザは、特に発熱，放熱が改善されたので、低しきい値，高温動作可能，高出力となり、アクリル系ＰＯＦを用いた光伝送が可能となり、安い光源である面発光型半導体レーザと安い光ファイバーであるＰＯＦとを用いた経済的な光送信モジュールを実現できる。
【００６４】
第１４の実施形態
本発明の第１４の実施形態の光送受信モジュールは、第４，第６，第８，第９，第１０または第１１の実施形態の面発光型半導体レーザ、または、第１２の実施形態の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴としている。
【００６５】
本発明の面発光型半導体レーザは、特に発熱，放熱が改善されたので、低しきい値，高温動作可能，高出力となり、アクリル系ＰＯＦを用いた光伝送が可能となり、安い光源である面発光型半導体レーザと安い光ファイバーであるＰＯＦとを用いた経済的な光送受信モジュールを実現できる。
【００６６】
第１５の実施形態
本発明の第１５の実施形態の光通信システムは、第４，第６，第８，第９，第１０または第１１の実施形態の面発光型半導体レーザ、または、第１２の実施形態の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴としている。
【００６７】
本発明の面発光型半導体レーザは、特に発熱，放熱が改善されたので、低しきい値，高温動作可能，高出力となり、アクリル系ＰＯＦを用いた光伝送が可能となり、安い光源である面発光型半導体レーザと安い光ファイバーであるＰＯＦとを用いた経済的な光通信システムを実現できる。そして、面発光型半導体レーザを用いていることから、ＬＥＤを用いた場合に比べて高速伝送可能であり、かつ極めて経済的であり、特に一般家庭やオフィスの室内，機器内などの光通信システムに用いることが効果的である。
【００６８】
第１６の実施形態
本発明の第１６の実施形態の光書き込みシステム（例えば、レーザプリンタ）ーは、第４，第６，第８，第９，第１０または第１１の実施形態の面発光型半導体レーザ、または、第１２の実施形態の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴としている。
【００６９】
面発光型半導体レーザは、低消費電力動作に有利であり、プリンターのような箱の中の温度上昇を低減できる。また、面発光型である場合、アレイ化が容易でしかも通常の半導体プロセスで形成するので素子の位置制度が高く、同時にマルチビームでの書きこみが容易となり、書きこみ速度が格段に向上し、書きこみドット密度が上昇しても印刷速度を落とすことなく印刷できる。また同じ書きこみドット密度の場合は印刷速度を早くできる。
【００７０】
第１７の実施形態
本発明の第１７の実施形態の光ピックアップシステムは、第４，第６，第８，第９，第１０または第１１の実施形態の面発光型半導体レーザ、または、第１２の実施形態の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴としている。
【００７１】
メディアへの光書き込み，再生用光源である半導体レーザの波長は、ＣＤでは０．７８μｍ、ＤＶＤでは０．６５μｍが用いられている。面発光型半導体レーザは、端面型半導体レーザに比べて１桁程度消費電力が小さく電力が長持ちすることから、通常の光ピックアップシステムはもちろん、本発明により０．６５μｍの面発光型半導体レーザを再生用光源としたハンディータイプの光ピックアップシステムを実現できる。
【００７２】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。
【００７３】
第１の実施例
図１は本発明の第１の実施例の半導体分布ブラッグ反射鏡を示す図である。第１の実施例の半導体分布ブラッグ反射鏡では、反射設計波長を６５０ｎｍとし、ｎ−ＧａＰ基板上にＡｌＰとＧａＰをそれぞれの媒質内における反射設計波長の１／４倍の厚さで交互に積層したＡｌＰ／ＧａＰ周期構造を有機金属気相成長方法（ＭＯＣＶＤ法）により成長した。原料には、ＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＰＨ_３（フォスフィン）を用い、また、ｎ型のドーパントとしてＨ_２Ｓｅ（セレン化水素）を用いた。また、キャリアガスには、Ｈ_２を用いた。なお、ＡｌＰとＧａＰとの間には、Ａｌ組成を一方の値から他方の値に線形に変化させた厚さ１０ｎｍのＡｌＧａＰ線形組成傾斜層を挿入しており、傾斜層を含めて媒質内における設計波長の１／４倍の厚さとしている。ＭＯＣＶＤ法では、原料の供給量を変化させることでＡｌＧａＰの組成を制御することができるので、ＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）に比べて容易に組成傾斜層を成長させることができる。
【００７４】
ＡｌＰとＧａＰは屈折率差が大きく、バンドギャップも大きく、ＡｌＧａＰ系材料は５５０ｎｍより長波長帯で光を吸収しないので、６５０ｎｍという波長においても少ない積層数で高反射率を得ることができた。さらに、組成傾斜層を挿入することで、抵抗も低減できた。
【００７５】
第２の実施例
図２は本発明の第２の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【００７６】
図２に示すように、第２の実施例における面発光型半導体レーザ素子は、ｎ−ＧａＰ基板上にｎ−ＡｌＰとｎ−ＧａＰとを交互に（例えば２４．５周期）積層した周期構造からなるｎ−半導体分布ブラッグ反射鏡（第１半導体分布ブラッグ反射鏡：単に、第１反射鏡ともいう）が形成されている。そして、この第１反射鏡の上に、ｎ−ＧａＰ第１キャップ層が形成されて、第１反射鏡構造が形成さされている。なお、第１反射鏡構造において、ＡｌＰとＧａＰとの間には、Ａｌ組成を一方の値から他方の値に線形に変化させた厚さ２０ｎｍの線形組成傾斜層を挿入しており、線形組成傾斜層を含めて媒質内における発振波長の１／４倍の厚さとしている。具体的には、ＡｌＰとＧａＰとの間には、線形組成傾斜層として、Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＰ（０≦ｙ＜ｚ＜ｘ≦１）が設けられている。この線形組成傾斜層が設けられていることによって、この第１の反射鏡構造に電気を流す場合、ＡｌＰとＧａＰとの間のバンド不連続を滑らかにすることができ、高抵抗化を抑制できる。なお、線形組成傾斜層の組成ｚを階段状に変化させても良く、連続的に変化させても良い。また、線形組成傾斜層の厚さは、反射率が充分になる範囲で厚い方が好ましい。ＡｌＰは、ＧａＰと格子定数が近いので、臨界膜厚以下の厚さとなり、第１反射鏡構造は、ＧａＰ基板に実質的に格子整合する材料系となっている。
【００７７】
このような第１反射鏡構造の上に、ＧａＡｓ基板に対して引張り歪組成となるｎ−Ｇａ_０．６Ｉｎ_０．４Ｐ第２キャップ層、ＧａＡｓ基板に格子整合する（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ第１スペーサ（クラッド）層、ＧａＡｓ基板に対して圧縮歪組成となるＧａ_０．４Ｉｎ_０．６Ｐ井戸層とＧａＡｓ基板に格子整合する（Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ障壁層とからなる量子井戸活性層、（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ第２スペーサ（クラッド）層が形成されている。
【００７８】
そして、更にその上に、ｐ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９５）とｐ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ｙ＝０．５）を交互に（例えば５０周期）積層した周期構造からなるｐ−半導体分布ブラッグ反射鏡（第２半導体分布ブラッグ反射鏡：単に、第２反射鏡ともいう）が形成されている。なお、この第２反射鏡において、ｐ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９５）とｐ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ｙ＝０．５）との間には、Ａｌ組成を一方の値から他方の値に線形に変化させた厚さ２０ｎｍの線形組成傾斜層を挿入しており、線形組成傾斜層を含めて媒質内における発振波長の１／４倍の厚さとしている。具体的には、線形組成傾斜層として、Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（０≦ｙ＜ｚ＜ｘ≦１）が設けられている。
【００７９】
そして、最上部には、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層が形成されている。なお、ＧａＡｓは、発振光を吸収する組成なので、薄くする必要があり、また最上部のｐ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ｙ＝０．５）とＧａＡｓを含め反射率が低下しないような厚さにする必要がある。最上部のＧａＡｓ層は、電極とコンタクトを取るコンタクト層となっている。また、第１反射鏡と第２反射鏡との間は、発振波長の１波長分の厚さ（いわゆるラムダキャビティー）とした。
【００８０】
なお、この第２の実施例の面発光型半導体レーザのウエハは以下のように作製されている。
【００８１】
すなわち、図３（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＰ基板上に、ｎ−ＡｌＰとｎ−ＧａＰとを交互に積層した周期構造からなる第１反射鏡、ｎ−ＧａＰ第１キャップ層を形成する。
【００８２】
また、図３（ｂ）に示すように、ｐ−ＧａＡｓ基板上に、ＧａＩｎＰエッチングストップ層、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層、ｐ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ｙ＝０．５）とｐ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９５）とを交互に積層した第２反射鏡を形成し、更にその上に、（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ第２スペーサ（クラッド）層、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸活性層、（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ第１スペーサ（クラッド）層、ｎ−Ｇａ_０．６Ｉｎ_０．４Ｐ第２キャップ層を形成する。
【００８３】
結晶成長は、ＭＯＣＶＤ法により行なった。原料には、ＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＴＭＩ（トリメチルインジウム），ＰＨ_３（フォスフィン）、ＡｓＨ_３（アルシン）、ｎ型のドーパントとしてＨ_２Ｓｅを（セレン化水素）、ｐ型のドーパントとしてＣＢｒ_４を用いた。また、キャリアガスにはＨ_２を用いた。ＭＯＣＶＤ法では、組成傾斜層のような構成は原料ガス供給量を制御することで容易に形成できるので、ＤＢＲを含んだ面発光型半導体レーザの結晶成長方法として適している。またＭＢＥ法のような高真空を必要とせず、原料ガスの供給流量や供給時間を制御すれば良いので量産性にも優れている。
【００８４】
そして、図３（ａ）と図３（ｂ）の２枚の成長基板の結晶成長面を洗浄して室温で密着させ、その後、高温（例えば６００℃）でＨ_２雰囲気で熱処理して接着する。その後、ＧａＡｓ基板をＧａＩｎＰエッチングストップ層まで化学的にエッチング除去する。硫酸系のエッチング液を用いるとＧａＩｎＰ等のリン系材料はエッチングされないので制御できる。更に今度はＧａＩｎＰエッチングストップ層を塩酸系エッチング液で選択的にエッチングする。塩酸系エッチング液を用いると逆にリン系材料がエッチングされ、ＧａＡｓなどはエッチングされないので制御できる。これにより、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層表面を露出させることができる。
【００８５】
これにより、ｎ−ＧａＰ基板上に、ｎ−ＡｌＧａＰ系ＤＢＲ（第１反射鏡）、ＡｌＧａＩｎＰ系活性領域、ｐ−ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲ（第２反射鏡）が積層されたウエハが形成された。
【００８６】
そして、第２の実施例では、電流経路外の部分をプロトン（Ｈ^＋）照射によって絶縁層（高抵抗部）とし、電流狭さく部を形成する。そして、第２反射鏡の最上部の層であるｐ−コンタクト層上に、光出射部を除いてｐ側電極を形成し、ＧａＰ基板の裏面にｎ側電極を形成する。
【００８７】
ＡｌＧａＰ系ＤＢＲは、ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲに比べて材料のバンドギャップが大きく、短波長帯においては少ない積層数で吸収が少なくかつ高い反射率を得ることができる。また、ＧａＰ基板はＧａＡｓ基板よりも熱伝導率が大きいことと、ＡｌＧａＰ系ＤＢＲはＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲに比べて熱伝導率が大きいことにより、放熱が改善され、ＧａＡｓ基板上に形成した素子に比べてしきい値が低く、出力が高く、高温まで連続動作が可能であった。
【００８８】
なお、ウエハ接着技術を利用した面発光型半導体レーザは、特開平７−３３５９６７，特開平１１−１０３１２５，特開２００１−６８７８３などに提案されているが、これらは１．３μｍや１．５５μｍ帯のような長波長帯におけるものである。この波長帯では、ＩｎＰ基板上の材料系が主に活性層として用いられるが、同基板上に優れた反射鏡材料が見当たらなく、０．８５μｍ帯等で用いられるＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＡｓ系材料による優れた反射鏡を接着している。これに対し、本発明では、ＧａＰ基板上に結晶成長可能なＡｌＧａＰ系材料を反射鏡に用いており、これら従来例とは構成，作用効果を異にしている。
【００８９】
第３の実施例
図４は本発明の第３の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【００９０】
この第３の実施例が第２の実施例と主に違うところは、電流狭窄をプロトン照射ではなく、ＡｌＡｓ層の選択酸化で行った点である。
【００９１】
すなわち、この第３の実施例では、ｐ側ＤＢＲの最も活性層に近い低屈折率層の一部をＡｌＡｓ層とした。そして所定の大きさのメサを少なくともｐ−ＡｌＡｓ被選択酸化層の側面を露出させて形成し、側面の現れたＡｌＡｓを水蒸気で側面から酸化してＡｌ_ｘＯ_ｙ電流狭さく層を形成した。そして次にポリイミドでエッチング部を埋め込んで平坦化し、ｐコンタクト層と光出射部のある上部反射鏡上のポリイミドを除去し、ｐコンタクト層上の光出射部以外にｐ側電極を形成し、基板の裏面にｎ側電極を形成した。
【００９２】
また、ＡｌとＡｓを主成分とした被選択酸化層の選択酸化により電流狭さくを行ったので、しきい値電流は低かった。被選択酸化層を選択酸化したＡｌ酸化膜からなる電流狭さく層を用いた電流狭さく構造によると、電流狭さく層を活性層に近づけて形成することで電流の広がりを抑えることができ、大気に触れない微小領域に効率良くキャリアを閉じ込めることができる。さらに酸化してＡｌ酸化膜となることで屈折率が小さくなり凸レンズの効果でキャリアの閉じ込められた微小領域に効率良く光を閉じ込めることができ、極めて効率が良くなり、しきい値電流を低減することができる。また、容易に電流狭さく構造を形成できることから、製造コストを低減できる。
【００９３】
第４の実施例
図５は本発明の第４の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【００９４】
この第４の実施例が第３の実施例と主に違うところは、光取り出しをＧａＰ基板側とした点である。このため、第３の実施例と異なり、第１反射鏡の反射率を第２反射鏡の反射率よりも低くした。また、ＧａＰ基板の裏面に光取り出し窓を形成し、更に無反射膜を形成した。そしてジャンクションダウンでヒートシンクに実装した。
【００９５】
従来、ＧａＡｓ基板上に形成されたＡｌＧａＩｎＰ系赤色面発光型半導体レーザは、ＧａＡｓが光を吸収するので基板側光取り出し構造はできなかったが、本発明では、基板がＧａＰであるので、基板側光取り出し構造が可能となり、よってジャンクションダウン実装が可能となり、放熱は更に改善された。よって更に高温まで連続動作が可能であった。
【００９６】
また、基板側光取り出し構造としたことで、アレイ素子や他の機能素子と集積した場合、駆動回路等との接続にワイヤーボンディングを用いずに、あらかじめ配線構造を形成した別基板上に、はんだなどの導電性接着剤を介してボンディングでき、低コスト化が図れる。
【００９７】
第５の実施例
図６は本発明の第５の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【００９８】
この第５の実施例が第３の実施例と主に違うところは、ウエハ接着界面と活性層との間に、ＧａＡｓ基板に格子整合するＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲが形成されている点である。つまり、第５の実施例では、第１反射鏡が、ＡｌＧａＰ系第１反射鏡（Ａ）とＡｌＧａＡｓ系第１反射鏡（Ｂ）との２段で形成されている。この第５の実施例では、ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲは５ペアとした。また、この第５の実施例では、ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲは、ｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９５）とｎ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ｙ＝０．５）とを交互に積層した構造とし、ウエハ接着界面となる最上層（低屈折率層）はｎ−Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ（ｘ＝０．６）第２キャップ層とした。そして、ＧａＰ基板上の最上層であるＧａＰ第１キャップ層とＧａＡｓ基板最上層であるＧａＩｎＰ第２キャップ層との厚さは、合計でλ／４の奇数倍とした。
【００９９】
ウエハ接着界面が活性層近傍であると、ＧａＰ系とＧａＡｓ系材料との格子定数の違いによる結晶欠陥が活性層に影響を及ぼし信頼性を低下させてしまう場合があるが、この第５の実施例のようにウエハ接着界面と活性層との間にＧａＡｓ基板に格子整合するＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲを設けることで上記影響をなくすことができる。
【０１００】
第６の実施例
図７は本発明の第６の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【０１０１】
この第６の実施例が第５の実施例と主に違うところは、第２反射鏡にもＧａＰ基板に格子整合するＡｌＧａＰ系ＤＢＲを用いたことである。
【０１０２】
なお、この第６の実施例の面発光型半導体レーザのウエハは以下のように作製されている。
【０１０３】
すなわち、図８（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＰ基板上に、ｎ−ＡｌＰとｎ−ＧａＰとを２９．５ペア積層した周期構造からなる第１反射鏡（Ａ）、ｎ−ＧａＰ第１キャップ層を形成し、これをエピウエハ１とする。
【０１０４】
また、図８（ｂ）に示すように、ｐ−ＧａＰ基板上に、ＧａＰＡｓエッチングストップ層、ｐ−ＧａＰコンタクト層、ｐ−ＡｌＰとｐ−ＧａＰとを１９．５ペア積層した周期構造からなる第２反射鏡（Ａ）、ｐ−ＧａＰ第３キャップ層を形成し、これをエピウエハ２とする。
【０１０５】
また、図８（ｃ）に示すように、ｐ−ＧａＡｓ基板上に、ｐ−ＧａＩｎＰ第４キャップ層、ｐ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９５）とｐ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ｙ＝０．５）とを交互に４．５ペア積層した第２反射鏡（Ｂ）を形成し、更にその上に、（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ第２スペーサ層（クラッド層）、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸活性層、（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ第１スペーサ層（クラッド層）、ｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９５）とｎ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ｙ＝０．５）とを４．５ペア交互に積層した第１反射鏡（Ｂ）、ｎ−ＧａＩｎＰ第２キャップ層を形成し、これをエピウエハ３とする。なお、この第６の実施例では、ｐ側ＤＢＲの最も活性層に近い低屈折率層の一部をＡｌＡｓ被選択酸化層とした。
【０１０６】
なお、各反射鏡の低屈折率層と高屈折率層との間には組成傾斜層を挿入した。結晶成長はＭＯＣＶＤ法により行なった。原料には、ＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＰＨ_３（フォスフィン）、ＡｓＨ_３（アルシン）、ｎ型のドーパントとしてＨ_２Ｓｅ（セレン化水素）、ｐ型のドーパントとしてＣＢｒ_４を用いた。また、キャリアガスにはＨ_２を用いた。ＭＯＣＶＤ法は、組成傾斜層のような構成は原料ガス供給量を制御することで容易に形成できるのでＤＢＲを含んだ面発光型半導体レーザの結晶成長方法として適している。また、ＭＢＥ法のような高真空を必要とせず、原料ガスの供給流量や供給時間を制御すれば良いので、量産性にも優れている。
【０１０７】
そして、この第６の実施例では、まずエピウエハ１とエピウエハ３の２枚の成長基板の結晶成長面を洗浄して室温で密着させ、その後、高温（例えば６００℃）でＨ_２雰囲気で熱処理して接着する。その後、ＧａＡｓ基板をｐ−ＧａＩｎＰ第４キャップ層が現れるまで化学的にエッチング除去する。硫酸系のエッチング液を用いると、ＧａＩｎＰ等のリン系材料はエッチングされないので制御できる。これにより、ｐ−ＧａＩｎＰ第４キャップ層の表面が現れた。
【０１０８】
次に、この貼り合わせたウエハとエピウエハ２との２枚の成長基板の結晶成長面を洗浄して室温で密着させ、その後、高温（例えば６００℃）でＨ_２雰囲気で熱処理して接着する。その後、エピウエハ２のｐ−ＧａＰ基板をＧａＰＡｓエッチングストップ層まで化学的にエッチング除去する。塩酸系のエッチング液を用いるとＧａＰＡｓ等の砒素系材料はエッチングされないので制御できる。更に今度はＧａＰＡｓエッチングストップ層を硫酸系エッチング液で選択的にエッチングする。硫酸系エッチング液を用いると逆に砒素系材料がエッチングされ、ＧａＰなどはエッチングされないので制御できる。これによりｐ−ＧａＰコンタクト層表面が現れた。
【０１０９】
これにより、ｎ−ＧａＰ基板上に、ｎ−ＡｌＧａＰ系とｎ−ＡｌＧａＡｓ系の２段構成からなるＤＢＲ、ＡｌＧａＩｎＰ系活性領域、ｐ−ＡｌＧａＡｓ系とｐ−ＡｌＧａＰ系の２段構成からなるＤＢＲが積層された図７の面発光型半導体レーザのウエハが形成された。
【０１１０】
そして、第６の実施例では、所定の大きさのメサを少なくともｐ−ＡｌＡｓ被選択酸化層の側面を露出させて形成し、側面の現れたＡｌＡｓを水蒸気で側面から酸化してＡｌ_ｘＯ_ｙ電流狭さく部を形成した。そして、次に、ポリイミドでエッチング部を埋め込んで平坦化し、ｐコンタクト層と光出射部のある上部反射鏡上のポリイミドを除去し、ｐコンタクト層上の光出射部以外にｐ側電極を形成し、また、基板の裏面にｎ側電極を形成した。
【０１１１】
ＡｌＧａＰ系ＤＢＲは、ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲに比べて材料のバンドギャップが大きく、短波長帯においては少ない積層数で光の吸収が少なく、かつ、高い反射率を得ることができる。また、ＧａＰ基板はＧａＡｓ基板より熱伝導率が大きいことと、ＡｌＧａＰ系ＤＢＲはＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲに比べて熱伝導率が大きいことにより、放熱が改善され、ＧａＡｓ基板上に形成した素子に比べてしきい値が小さく、出力が大きく、高温まで連続動作が可能であった。
【０１１２】
また、ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲにおいてＡｌＡｓとＧａＡｓは屈折率差が大きいのでＤＢＲに適した材料といえるが、レーザの波長が短くなるに従い、光の吸収を避けるため高屈折率層のＡｌ組成を大きくする必要がある。このため、例えば波長６５０ｎｍでは高屈折率層にＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓがよく用いられる。よって、低屈折率層との屈折率差がＡｌＡｓ／ＧａＡｓとの組み合わせに比べて約半分になり必要な反射率を得るために積層数は２倍程度に増加してしまう。さらに実際には積層数が増えると膜厚の揺らぎがあり、また完全には光吸収を抑えたＤＢＲ組成ではないので吸収のため高い反射率を得るのが困難になってしまい、面発光型半導体レーザの特性を悪化させてしまう問題がある。
【０１１３】
一方、反射鏡にＡｌＧａＰ系材料を用いると、５５０ｎｍよりも長い波長に対して透明となり、これらの波長においてＧａＰとＡｌＰの間のどの組成をも用いることが可能となる。これにより屈折率差が大きく取れ、積層数を増加させることなく結晶成長は容易であり、高反射率を容易に得ることができる。
【０１１４】
更に、面発光型半導体レーザでは、ＤＢＲを構成する低屈折率層と高屈折率層とのバンド不連続により高抵抗となりやすいため、第１の実施例に示したように組成傾斜層を挿入して低抵抗化を図っている。ＡｌＰとＧａＰとのバンド不連続は、Ｓａｎｄｉｐ等による文献「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．６０，Ｎｏ．５，１９９２，ｐｐ６３０−６３２」によると、伝導帯及び価電子帯とも、ＡｌＡｓとＧａＡｓとのそれと同程度である。上述のようにＡｌＧａＰ系材料をＤＢＲに用いると積層数を約半分にすることができるため、抵抗増加の原因であるヘテロ接合数が約半分となり、抵抗低減が図れ、ＤＢＲでの発熱を低減することができる。
【０１１５】
第７の実施例
図９は本発明の第７の実施例の面発光型半導体レーザアレイ（面発光型半導体レーザアレイチップ）を示す図（上面図）である。
【０１１６】
第７の実施例の面発光型半導体レーザアレイは、第６の実施例の面発光型半導体レーザが１０素子、１次元に並んだものとなっている。ただし、第６の実施例の面発光型半導体レーザと、ｐとｎは逆にした。なお、図９の例では、第６の実施例の面発光型半導体レーザを１次元に集積させたが、第６の実施例の面発光型半導体レーザを２次元に集積させても良い。すなわち、第７の実施例の面発光型半導体レーザアレイは、ｐ型ＧａＰ半導体基板上に形成されており、上面にｎ側個別電極が形成され、裏面にｐ側共通電極が形成されている。ここで、この面発光型半導体レーザアレイの発振波長は、６５０ｎｍであった。また、発熱を低減し、放熱を良好にしたので、隣りの素子へ悪影響は及ぼさなかった。
【０１１７】
第８の実施例
図１０は第８の実施例の光送信モジュールを示す図であり、第７の実施例の面発光型半導体レーザアレイチップと安価なアクリル系ＰＯＦ（プラスチック光ファイバー）とを組み合わせたものとなっている。この第８の実施例では、面発光型半導体レーザからのレーザ光がＰＯＦに入力され、伝送される。ここで、アクリル系ＰＯＦは、６５０ｎｍの波長に吸収損失のボトムがあり、従って、この波長が好ましい。光通信の分野では、同時により多くのデータを伝送するために、複数の半導体レーザを集積させたレーザアレイを用いた並列伝送が試みられている。これにより、高速な並列伝送が可能となり、従来よりも多くのデータを同時に伝送できるようになった。
【０１１８】
なお、図１０の例では、面発光型半導体レーザ素子と光ファイバーとを１対１に対応させたが、発振波長の異なる複数の面発光型半導体レーザ素子を１次元または２次元にアレイ状に配置して波長多重送信することにより、伝送速度を更に増大することが可能となる。
【０１１９】
さらに、この第８の実施例では、本発明による安価な面発光型半導体レーザ素子と安価なＰＯＦとを組み合わせたので、低コストの光送信モジュールを実現でき、さらに、これを用いた低コストの光通信システムを実現できる。ＰＯＦは石英系ファイバーに比べて透明ではないので、長距離伝送には向かず、極めて低コストであることから、家庭用，オフィスの室内用，機器内用等の短距離のデータ通信に有効である。
【０１２０】
第９の実施例
図１１は本発明の第９の実施例の光送受信モジュールを示す図であり、第６の実施例の面発光型半導体レーザ素子と受信用フォトダイオードとアクリル系ＰＯＦとを組み合わせたものとなっている。
【０１２１】
本発明による面発光型半導体レーザ素子を光通信システムに用いる場合、面発光型半導体レーザ素子とＰＯＦは低コストであるので、図１１に示すように、送信用の面発光型半導体レーザ素子と、受信用フォトダイオードと、ＰＯＦとを組み合わせた光送受信モジュールを用いた低コストの光通信システムを実現できる。また、ＰＯＦはファイバの径が大きく、ファイバとのカップリングが容易で、実装コストを低減できることから、極めて低コストのモジュールを実現できる。また、本発明に係る面発光型半導体レーザ素子の場合、温度特性が良いこと、及び、低しきい値であることにより、発熱が少なく、高温まで冷却なしで使えるより低コストのシステムを実現できる。
【０１２２】
本発明に係る面発光型半導体レーザ素子を用いた光通信システムとしては、光ファイバーを用いたＬＡＮ（Local Area Network）などのコンピュータ等の機器間伝送、さらには機器内のボード間データ伝送、ボード内のＬＳＩ間、ＬＳＩ内の素子間等の光インターコネクションとして、特に短距離通信に用いることができる。
【０１２３】
すなわち、近年ＬＳＩ等の処理性能は向上しているが、これらを接続する部分の伝送速度が今後ボトルネックとなる。システム内の信号接続を従来の電気接続から光インターコネクションに変えると（例えば、コンピュータシステムのボード間、ボード内のＬＳＩ間、ＬＳＩ内の素子間等を本発明に係る光送信モジュールや光送受信モジュールを用いて接続すると）、超高速コンピュータシステムが可能となる。
【０１２４】
また、複数のコンピュータシステム等を本発明に係る光送信モジュールや光送受信モジュールを用いて接続した場合、超高速ネットワークシステムが構築できる。特に、面発光型半導体レーザ素子は、端面発光型レーザに比べて、桁違いに低消費電力化でき２次元アレイ化が容易なので、並列伝送型の光通信システムに適している。
【０１２５】
第１０の実施例
図１２は本発明の第１０の実施例を示す図である。すなわち、波長６５０ｎｍである４×４の二次元に配置された面発光型半導体レーザアレイチップ（１６ビームＶＣＳＥＬアレイ）と感光帯ドラムとを組み合わせたレーザプリンタの光走査部分を示す図である。図１３は図１２における面発光型半導体レーザアレイチップの概略構成を示す図（上面図）である。図１２，図１３のレーザプリンタでは、４×４の二次元に配置された面発光型半導体レーザアレイチップの点灯のタイミングを調整することで、感光帯上では図１３のように副走査方向に２０μｍ間隔で光源が並んでいる場合と同様な構成と捉えることができる。
【０１２６】
この第１０の実施例では、面発光型半導体レーザアレイからの複数のビームを、同じ光学系を用い走査用ポリゴンミラーを高速回転させて点灯のタイミングを調整して被走査面である感光帯上に集光して、一度に複数のビームを走査している。
【０１２７】
この第１０の実施例によると、副走査方向に２０μｍ間隔で感光帯上に書き込み可能である。なお、この副走査方向の間隔は、１２００ＤＰＩ（ドット／インチ）に相当する。また、主走査方向の書き込み間隔は、光源の点灯のタイミングで容易に制御できる。このレーザプリンタでは、１６ドットを同時に書き込み可能であり、高速印刷できた。アレイ数を増加させることで、更に高速印刷が可能となる。また、面発光型半導体レーザ素子の間隔を調整することで、副走査方向の間隔を調整できる。すなわち、１２００ＤＰＩよりも高密度にすることができ、より高品質の印刷が可能となる。なお、高密度化するためには、ビーム径をレンズ系を用いてより絞る必要があるが、波長による限界があり、光源の波長は短い方が好ましい。従来、面発光型半導体レーザでは７８０ｎｍよりも短い波長で、出力，温度特性等を満足できる素子が得られなかったが、本発明によって赤色（６００ｎｍ台）波長域で実用レベルの素子となったため、実現できた。
【０１２８】
なお、この第１０の実施例では、レーザプリンタへの応用例を示したが、本発明の面発光型半導体レーザを光ピックアップシステムに適用することもできる。すなわち、ＣＤ等の記録，再生用光源としても用いることができる。
【０１２９】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１乃至請求項５記載の発明によれば、ＧａＰ半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の活性層を含む活性領域と、レーザ光を得るために活性領域の上部および下部に設けられている上部反射鏡および下部反射鏡を含む共振器構造を有し、波長が０．７８μｍよりも短い面発光型半導体レーザにおいて、
前記活性領域は、ＧａＡｓに格子整合するＡｌＧａＩｎＰ系材料からなり、また、少なくとも下部反射鏡は、ＧａＰに格子整合するＡｌＧａＰ系材料からなり、屈折率が小なるＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＰ（０＜ｘ≦１）層と屈折率が大なるＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＰ（０≦ｙ＜ｘ≦１）層とが積層されている半導体分布ブラッグ反射鏡であるので、従来のＡｌＧａＡｓ系反射鏡を用いた面発光型半導体レーザと比較して熱伝導率が高く、放熱が改善された温度特性の良好な面発光型半導体レーザを実現できる。また、ＡｌＧａＰ系材料がＡｌＧａＡｓ系材料に比べてワイドギャップであるので、特に７８０ｎｍよりも短波長とした場合は、少ない積層数で高反射率を容易に得られ、吸収も低減され、低しきい値，高出力の面発光型半導体レーザが得られる。
【０１４０】
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザによって構成されていることを特徴とする面発光型半導体レーザアレイであり、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザは、発熱，放熱が改善されているので、これをアレイとした場合、他の素子で発生した熱による特性劣化（しきい値上昇，出力低下など）が低減し、高性能の面発光型半導体レーザアレイを実現できる。さらに他の素子への熱の影響を低減できることから、素子間の間隔を狭くできるなどのメリットがある。
【０１４１】
また、請求項７記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項６記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光送信モジュールであり、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項６記載の面発光型半導体レーザアレイは、特に発熱，放熱が改善されているので、低しきい値，高温動作可能，高出力となり、アクリル系ＰＯＦを用いた光伝送が可能となり、安い光源である面発光型半導体レーザと安い光ファイバーであるＰＯＦとを用いた経済的な光送信モジュールを実現できる。
【０１４２】
また、請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項６記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光送受信モジュールであり、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項６記載の面発光型半導体レーザアレイは、特に発熱，放熱が改善されているので、低しきい値，高温動作可能，高出力となり、アクリル系ＰＯＦを用いた光伝送が可能となり、安い光源である面発光型半導体レーザと安い光ファイバーであるＰＯＦとを用いた経済的な光送受信モジュールを実現できる。
【０１４３】
また、請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項６記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光通信システムであり、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項６記載の面発光型半導体レーザアレイは、特に発熱，放熱が改善されているので、低しきい値，高温動作可能，高出力となり、アクリル系ＰＯＦを用いた光伝送が可能となり、安い光源である面発光型半導体レーザと安い光ファイバーであるＰＯＦとを用いた経済的な光通信システムを実現できる。面発光型半導体レーザを用いていることから、高速伝送可能であり、かつ極めて経済的であり、特に一般家庭やオフィスの室内などの短距離光通信システムに用いることが効果的である。
【０１４４】
また、請求項１０記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項６記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光書き込みシステム（具体的には、例えばレーザプリンタ）であり、面発光型半導体レーザは低消費電力動作に有利であることから、プリンタのような箱の中の温度上昇を低減できる。また、面発光型レーザを用いているので、アレイ化が容易でしかも通常の半導体プロセスで形成することができて、素子の位置精度が高く、同時にマルチビームでの書き込みが容易となり、書き込み速度が格段に向上し、書き込みドット密度が上昇しても印刷速度を落とすことなく印刷できる。また、同じ書き込みドット密度の場合は、印刷速度を速くできる。
【０１４５】
また、請求項１１記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項６記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光ピックアップシステムであり、面発光型半導体レーザは端面発光型半導体レーザに比べて１桁程度消費電力が小さく電力が長持ちすることから、通常の光ピックアップシステムはもちろん、本発明により０．６５μｍの面発光型半導体レーザを再生用光源としたハンディータイプの光ピックアップシステムに特に効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の半導体分布ブラッグ反射鏡を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【図３】第２の実施例の面発光型半導体レーザのウエハの作製工程例を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【図５】本発明の第４の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【図６】本発明の第５の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【図７】本発明の第６の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【図８】第６の実施例の面発光型半導体レーザのウエハの作製工程例を示す図である。
【図９】本発明の第７の実施例の面発光型半導体レーザアレイ（面発光型半導体レーザアレイチップ）を示す図（上面図）である。
【図１０】第８の実施例の光送信モジュールを示す図である。
【図１１】本発明の第９の実施例の光送受信モジュールを示す図である。
【図１２】本発明の第１０の実施例を示す図である。
【図１３】図１２における面発光型半導体レーザアレイチップの概略構成を示す図（上面図）である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention,surfaceThe present invention relates to a light emitting semiconductor laser, a surface emitting semiconductor laser array, an optical communication system, an optical writing system, and an optical pickup system.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a surface emitting semiconductor laser is a semiconductor laser that emits light in a direction perpendicular to a substrate, and has high performance at a lower cost than an edge emitting type. It is used in consumer applications such as light sources.
[0003]
The surface emitting semiconductor laser has a structure in which an active region including an active layer that generates laser light is sandwiched between reflecting mirrors. As the reflecting mirror, a semiconductor distributed Bragg reflecting mirror in which low refractive index layers and high refractive index layers are alternately stacked is widely used. As a material of the semiconductor distributed Bragg reflector, a material that does not absorb light generated from the active layer (generally, a material having a wider band gap than the active layer) and that matches the substrate to prevent lattice relaxation is used. It is done.
[0004]
By the way, the reflectance of the reflecting mirror needs to be extremely high as 99% or more, and the reflectance can be increased by increasing the number of stacked layers. However, when the number of stacked layers increases, it becomes difficult to manufacture a surface emitting semiconductor laser. For this reason, it is preferable that the difference in refractive index between the low refractive index layer and the high refractive index layer is large. AlGaAs-based materials are often used because AlAs and GaAs are termination substances, the lattice constant is almost the same as that of GaAs as a substrate, the refractive index difference is large, and high reflectivity can be obtained with a small number of layers. It has been.
[0005]
Further, a current narrowing structure is used for lowering the threshold. Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-240506 discloses a structure using a resonator using a semiconductor distributed Bragg reflector made of AlAs / GaAs and a current narrowing structure in which a high resistance layer is formed by ion implantation. Japanese Patent No. 2917971 discloses a surface using a current narrowing structure using a resonator using a semiconductor distributed Bragg reflector made of AlGaAs / GaAs and an oxide film obtained by selectively oxidizing a part of Al (Ga) As. A light emitting semiconductor laser is shown. Here, for oxidation, oxidation by supplying water vapor at a high temperature is used. Oxidation by steam supply at high temperature is Al_xO_yIn addition, the distance between the active layer and the narrowing layer can be strictly controlled by crystal growth, and the current path can be made extremely narrow, reducing the reactive current and reducing the active region. Suitable for orientation and low power consumption, it is often used recently.
[0006]
Japanese Patent No. 2917971 utilizes the fact that the oxidation rate increases drastically as the Al composition of AlGaAs increases. By increasing the Al composition of the layer to be oxidized higher than the others, only the layer to be oxidized is oxidized. Like that. Thereby, a current narrowing structure by selective oxidation can be obtained. For this reason, the Al composition of the AlGaAs layer of the low refractive index layer of the semiconductor distributed Bragg reflector is smaller than the Al composition of the Al (Ga) As oxide layer (that is, the Ga composition is increased). In Japanese Patent No. 2917971, the selective oxidation layer is made of Al._yGa_1-yAs (y = 0.97) is used, and the low refractive index layer of the semiconductor distributed Bragg reflector is made of Al._xGa_1-xAs (x = 0.92) is used.
[0007]
Thus, from the viewpoint of the reflector and the current confinement structure, a distributed Bragg reflector (DBR) having a reflection band in the 0.78 μm band, 0.85 μm band, and 0.98 μm band using an AlGaAs-based material, and A surface emitting semiconductor laser of the same wavelength band using this as a resonator mirror has achieved a practical level of performance.
[0008]
On the other hand, a surface emitting semiconductor laser that oscillates at a wavelength of 0.6 μm is expected as a light source for optical communication using a plastic fiber (POF: Plastic Optical Fiber), optical writing and reproduction of a laser printer, a CD, a DVD, and the like. ing. The low loss region of inexpensive acrylic plastic fibers is the red wavelength band, and optical communication using POF is expected as an extremely low cost optical communication system.
[0009]
In the wavelength range of 0.6 μm, an AlGaInP-based material on a GaAs substrate is used, and an edge emitting laser has a track record. The AlGaInP-based material is the largest direct transition type material among III-V group semiconductors except for the AlGaInN-based material, and the maximum band gap energy is about 2.3 eV (wavelength 540 nm). In order to manufacture a semiconductor laser, a structure in which a clad layer (made of a material having a larger band gap than the active layer) is used and carriers and light are confined in the active layer (light emitting layer) is necessary. However, when the AlGaInP-based material forms a heterojunction, the band offset ratio of the conduction band is small, and the active layer (light emitting layer), the cladding layer, and the band discontinuity (ΔEc) on the conduction band side are small. ) Tends to overflow from the active layer to the cladding layer, and the temperature dependency of the oscillation threshold current of the semiconductor laser is large, and the temperature characteristics are poor. The surface emitting type is particularly severe because the carrier density required for laser operation is higher than that of the edge emitting type.
[0010]
Furthermore, there are limitations even when forming a semiconductor distributed Bragg reflector (DBR) using an AlGaAs-based material that has been put to practical use in the 0.78 μm band, 0.85 μm band, and 0.98 μm band. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-196189 shows an example of a red surface emitting semiconductor laser. This red surface emitting semiconductor laser has a wavelength of 0.6 μm, and an Al composition of 0.5 or more is generally used to avoid light absorption. The difference in refractive index between the low refractive index layer and the high refractive index layer is Since it cannot take large, the number of laminations will increase. That is, the refractive index difference between the low refractive index layer and the high refractive index layer is half that of the 0.98 μm band DBR, the number of stacked layers is doubled, the resistance is increased, and the heat dissipation is poor. Problems arise. Furthermore, in practice, due to fluctuations in the thickness of each layer, a sufficiently high reflectivity cannot be obtained even if the number of layers is increased, and the wavelength range where the reflectivity is high is also narrowed, so that the control length of the resonator length is extremely small. Get smaller. This has a greater effect as the wavelength becomes shorter.
[0011]
Further, as a material capable of obtaining a large difference in refractive index between the low refractive index layer and the high refractive index layer of the DBR, studies using an AlGaInP-based material have been made (see the document “Appl. Phys. Lett. By RP Schneider et al.). 60 (15), 13 April 1992, P1830 "). Specifically, (Al_yGa_1-y)₀ _{. 5}In_0.5P / Al_0.5In_0.5Studies using P (y = about 0.2) have been made. However, this material system is a material system in which the lattice constant changes greatly with a slight deviation in composition, and it is difficult to strictly control the supply amount of In, and it is difficult to strictly control the composition of all 10 DBR layers. Difficult. In addition, a method of reducing the resistance by inserting a composition gradient layer between the low refractive index layer and the high refractive index layer is usually used, but this method is difficult to control without changing the lattice constant. Furthermore, since the thermal resistance increases as the number of constituent elements of the mixed crystal increases and the composition of the mixed crystal is closer to the center, it cannot be said that the material is preferable for DBR in terms of heat dissipation. For this reason, AlGaAs-based materials are mainly used in research and development of surface-emitting semiconductor lasers with a wavelength of 0.6 μm.
[0012]
Further, heat is generated mainly in the active layer and the reflecting mirror on the crystal growth side (main surface). In order to actively dissipate heat, a method of mounting the main surface on a heat sink or the like and extracting light from the substrate side can be considered, but this method cannot be taken because it is absorbed by GaAs on the substrate in the wavelength range of 0.6 μm. .
[0013]
Japanese Laid-Open Patent Publication No. 10-200202 proposes a surface emitting semiconductor laser formed of a material system that uses a GaInP substrate and suppresses the carrier overflow in order to suppress the carrier overflow. This surface emitting semiconductor laser uses an AlInP / GaInP-based reflecting mirror. However, the GaInP substrate is extremely difficult to manufacture, and high-quality crystal growth cannot be obtained on it, and the reflecting mirror is a ternary system and has high thermal resistance, and also for resistance reduction. It is difficult to put it to practical use because it is difficult to control the composition gradient layer.
[0014]
For these reasons, at a wavelength of 650 nm where the absorption loss of POF is at the bottom, it has been reported that continuous operation was finally possible at room temperature (refer to the document “Electronics Letters, 6” by KD Choquette et al.^th July 1995, Vol. 31 No. 14, P1145 ") to some extent.
[0015]
For the above reasons, a surface emitting semiconductor laser having a wavelength shorter than 0.78 μm has not been put into practical use.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
  The present invention can reduce the number of stacked layers compared to AlGaAs-based materials, particularly in a wavelength band shorter than 0.78 μm, and is suitable for practical use.FaceAn object of the present invention is to provide a light emitting semiconductor laser, a surface emitting semiconductor laser array, an optical communication system, an optical writing system, and an optical pickup system.
[0017]
  In other words, the present invention increases the reflectivity with a small number of layers, reduces heat generation, and improves heat dissipation.Face ofAn object of the present invention is to provide a light emitting semiconductor laser, a surface emitting semiconductor laser array, an optical communication system, an optical writing system, and an optical pickup system.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 includes an active region including at least one active layer for generating laser light on a GaP semiconductor substrate, an upper portion of the active region for obtaining laser light, and In a surface emitting semiconductor laser having a resonator structure including an upper reflecting mirror and a lower reflecting mirror provided in the lower portion, and having a wavelength shorter than 0.78 μm,
The active region is made of an AlGaInP-based material lattice-matched to GaAs, and at least the lower reflector is made of an AlGaP-based material lattice-matched to GaP so that the refractive index is small._xGa_1-xP (0 <x ≦ 1) layer and Al with high refractive index_yGa_1-yA semiconductor distributed Bragg reflector in which P (0 ≦ y <x ≦ 1) layers are stacked.The light is extracted from the side opposite to the GaP substrate with respect to the active region.It is characterized by that.
  According to a second aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser according to the first aspect, the lower reflecting mirror is made of an AlGaP-based material lattice-matched with the GaP, and the upper reflecting mirror is latticed with GaAs. It is characterized by being made of a matching AlGaAs material.
  According to a third aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser according to the first or second aspect, the lower reflecting mirror is a first reflecting mirror made of an AlGaP-based material lattice-matched with the GaP. A second reflecting mirror made of an AlGaAs-based material lattice-matching with GaAs is laminated thereon, and there is a wafer bonding interface between the first reflecting mirror and the second reflecting mirror. .
  According to a fourth aspect of the present invention, in the surface-emitting type semiconductor laser according to any one of the first to third aspects, the semiconductor distributed Bragg reflector includes a layer having a small refractive index and the refractive index. A semiconductor layer having a refractive index between two types of semiconductor layers having different refractive indexes is provided between the layer having a higher refractive index.
[0027]
  Also,Claim 5The described inventionAny one of claims 2 to 4In the surface-emitting type semiconductor laser described,In the upper reflectorIt is characterized by having a current narrowing layer in which AlAs mainly composed of Al and As is selectively oxidized.
[0029]
  Also,Claim 6The invention described in claims 1 toClaim 5A surface-emitting type semiconductor laser array comprising the surface-emitting type semiconductor laser according to any one of the above.
[0030]
  Also,Claim 7The invention described in claims 1 toClaim 5The surface emitting semiconductor laser according to any one of the above, orClaim 6The surface-emitting type semiconductor laser array described is used as a light source.
[0031]
  Also,Claim 8The invention described in claims 1 toClaim 5The surface emitting semiconductor laser according to any one of the above, orClaim 6The surface-emitting type semiconductor laser array described is used as a light source.
[0032]
  Also,Claim 9The invention described in claims 1 toClaim 5The surface emitting semiconductor laser according to any one of the above, orClaim 6An optical communication system, wherein the surface-emitting type semiconductor laser array described is used as a light source.
[0033]
  Also,Claim 10The invention described in claims 1 toClaim 5The surface emitting semiconductor laser according to any one of the above, orClaim 6An optical writing system in which the surface-emitting type semiconductor laser array described is used as a light source.
[0034]
  Also,Claim 11The invention described in claims 1 toClaim 5Or a surface emitting semiconductor laser according to any one ofClaim 6An optical pickup system using the surface-emitting type semiconductor laser array described as a light source.
[0035]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below.
[0036]
First embodiment
The semiconductor distributed Bragg reflector (DBR) according to the first embodiment of the present invention is a semiconductor distributed Bragg reflector that periodically changes the refractive index and reflects incident light by light wave interference, and has a small refractive index. Layer is Al_xGa_1-xA layer composed of P (0 <x ≦ 1) and having a large refractive index is made of Al._yGa_1-yIt is characterized by comprising P (0 ≦ y <x ≦ 1).
[0037]
AlGaP-based DBRs have not been studied so far because no material capable of laser oscillation could be grown on a GaP substrate. However, an AlGaP-based material having AlP and GaP as a termination substance has a lattice constant close to that of GaP regardless of the Al composition, and can grow crystals on a GaP substrate and has a large refractive index difference. This is the same tendency as the AlGaAs-based material having AlAs and GaAs as termination substances. Specifically, the lattice constants are GaP: 5.4495 angstrom, AlP: 5.4625 angstrom, GaAs: 5.65325 angstrom, and AlAs: 5.6611 angstrom. The refractive indices (at the band gap wavelength) are GaP: 3.452, AlP: 3.03, GaAs: 3.655, and AlAs: 3.178. Therefore, it is considered that the AlGaP-based material is suitable as a material for the semiconductor distributed Bragg reflector similarly to the AlGaAs-based material. Furthermore, since the AlGaP-based material has a larger band gap energy than the AlGaAs-based material, it transmits light having a longer wavelength band than about 0.55 μm. Therefore, the entire composition range of AlGaP can be used in a wavelength band longer than 0.55 μm, and a semiconductor distributed Bragg reflector more suitable than an AlGaAs material can be formed particularly in a wavelength band shorter than 0.78 μm.
[0038]
Second embodiment
The semiconductor distributed Bragg reflector according to the second embodiment of the present invention is a semiconductor distributed Bragg reflector formed by stacking two types of semiconductor layers having different refractive indexes. Is a layer having a small refractive index and a layer having a large refractive index, and a layer having a small refractive index is Al._xGa_1-xA layer composed of P (0 <x ≦ 1) and having a large refractive index is made of Al._yGa_1-yA semiconductor layer made of P (0 ≦ y <x ≦ 1) and having a refractive index between two types of semiconductor layers having different refractive indexes is provided between the two types of semiconductor layers having different refractive indexes. It is characterized by that. Specifically, a semiconductor layer Al having a refractive index between two types of semiconductor layers having different refractive indexes._zGa_1-zP (0 ≦ y <z <x ≦ 1) is provided.
[0039]
In this second embodiment, in a semiconductor distributed Bragg reflector formed by laminating two types of semiconductor layers having different refractive indexes, the two types of semiconductor layers having different refractive indexes are divided into a layer having a low refractive index and a refractive index. A layer having a large refractive index and a small refractive index is made of Al._xGa_1-xA layer composed of P (0 <x ≦ 1) and having a large refractive index is made of Al._yGa_1-yA semiconductor layer made of P (0 ≦ y <x ≦ 1) and having a refractive index between two types of semiconductor layers having different refractive indexes is provided between the two types of semiconductor layers having different refractive indexes. Thus, when electricity is supplied to the reflecting mirror, the band discontinuity between the layer having a small refractive index and the layer having a large refractive index can be smoothed, and an increase in resistance can be suppressed. In addition, about the Ga composition z of the semiconductor layer which has a refractive index between two types of semiconductor layers from which a refractive index differs, this may be changed stepwise and may be changed continuously.
[0040]
Third embodiment
A surface-emitting type semiconductor laser according to a third embodiment of the present invention includes an active region including at least one active layer that generates laser light on a semiconductor substrate, and upper and lower portions of the active region for obtaining laser light. In the surface-emitting type semiconductor laser having a resonator structure including the upper reflecting mirror and the lower reflecting mirror provided in the upper reflecting mirror and / or the lower reflecting mirror, the semiconductor distribution of the first or second embodiment is used. A Bragg reflector is used.
[0041]
Since the AlGaP-based material has a larger band gap energy than the AlGaAs-based material, the AlGaP-based material transmits light having a wavelength longer than about 0.55 μm, and light in a wavelength shorter than 0.78 μm such as the 0.6 μm band. A non-absorbing material can be used for a semiconductor distributed Bragg reflector (also simply referred to as a reflector), and a large difference in refractive index can be obtained. Therefore, a high reflectivity of 99% or more can be easily obtained compared to using an AlGaAs-based material. As a result, the number of stacked layers can be reduced to about half. Thereby, resistance can be reduced.
[0042]
Furthermore, the thermal conductivity of the related materials is GaAs: 0.54 Wcm, respectively.^-1K^-1, AlAs: 0.91 Wcm^-1K^-1, GaP: 1.1 Wcm^-1K^-1, AlP :: 0.9 Wcm^-1K^-1It is. In this way, the thermal conductivity of AlGaP-based materials is greater than that of AlGaAs-based materials, so heat dissipation is improved, temperature rise during operation can be suppressed, low threshold value and high output can be achieved, and temperature characteristics are further improved. To do. The effect of heat conduction is effective not only in the 0.6 μm band but also in other wavelength ranges (long wavelength bands such as 0.78 μm, 0.85 μm, 0.98 μm, 1.3 μm, 1.55 μm band). .
[0043]
Fourth embodiment
A surface-emitting type semiconductor laser according to a fourth embodiment of the present invention includes an active region including at least one active layer that generates laser light on a semiconductor substrate, and upper and lower portions of the active region for obtaining laser light. In the surface emitting semiconductor laser having a resonator structure including an upper reflecting mirror and a lower reflecting mirror, the active region is made of a material lattice-matched with GaAs, and the upper reflecting mirror and / or the lower reflecting mirror is provided. The reflecting mirror is a semiconductor distributed Bragg reflecting mirror made of a material lattice-matched with GaP.
[0044]
Materials that can grow crystals on a GaP substrate are many indirect transition materials, and it is difficult to obtain materials that can oscillate lasers, but materials that can grow crystals on a GaAs substrate with a thickness less than the critical film thickness. In GaAs, AlGaAs, GaInP, AlGaInP, GaPAs, GaInPAs, GaInAs, GaInNAs, GaNAs, GaInNAsSb, and GaAsSb, there are materials that can be formed with sufficient quality. When these active layers are used and a reflector is formed using an AlGaP-based material, which is a material capable of crystal growth on a GaP substrate with a thickness below the critical film thickness, compared to a conventional AlGaAs-based reflector A surface-emitting type semiconductor laser having high thermal conductivity and good temperature characteristics with improved heat dissipation can be realized. In addition, since the AlGaP-based material has a wider gap than the AlGaAs-based material, particularly when the wavelength is shorter than 780 nm, a large difference in refractive index can be obtained, and a high reflectance can be easily obtained with a small number of stacked layers. As a result, a surface emitting semiconductor laser with a low threshold and a high output can be obtained. In this case, examples of the material for the active layer include GaInP, AlGaInP, AlGaAs, GaAsP, and AlGaInAs.
[0045]
Fifth embodiment
A method for manufacturing a surface emitting semiconductor laser according to a fifth embodiment of the present invention includes a step of crystal-growing a first semiconductor distributed Bragg reflector on a first GaP substrate, and a step of crystal-growing an active region on a GaAs substrate. A step of growing a second semiconductor distributed Bragg reflector on the second GaP substrate, a step of bonding the active region and the first semiconductor distributed Bragg reflector to remove the GaAs substrate, an active region and a second semiconductor distribution And a step of bonding the Bragg reflector.
[0046]
AlGaP-based materials having AlP and GaP as termination substances used for the first and second reflecting mirrors have a lattice constant close to that of GaP, and can grow crystals on a GaP substrate, with a large difference in refractive index. This is the same tendency as the AlGaAs-based material having AlAs and GaAs as termination substances. For example, in the wavelength 0.6 μm band, an active region including an active layer can be formed of an AlGaInP-based material that can be grown on a GaAs substrate without misfit dislocations. A surface emitting semiconductor laser can be formed by bonding them. After bonding one semiconductor distributed Bragg reflector and the active region, the GaAs substrate is removed by etching or the like. As a bonding method, the respective surfaces can be washed and bonded together, and bonded by performing a heat treatment at a high temperature such as 600 ° C.
[0047]
Sixth embodiment
A surface-emitting type semiconductor laser according to a sixth embodiment of the present invention includes a first semiconductor distributed Bragg reflector made of a material lattice-matched to GaP and an active region made of a material lattice-matched to GaAs on a semiconductor substrate, And a second semiconductor distributed Bragg reflector made of a material lattice-matched to GaAs.
[0048]
GaP has a thermal conductivity approximately twice that of GaAs and has good heat dissipation. Therefore, heat generated during operation can be well escaped, and the temperature characteristics are improved. In addition, many materials that can grow crystals on a GaP substrate are indirect transition materials, and it is difficult to obtain a material that can oscillate laser. However, a material that can oscillate laser can be easily formed on a GaAs substrate. It can be formed. That is, an active region made of a material lattice-matched to GaAs can be easily formed on a GaAs substrate.
[0049]
As described above, as the first and second semiconductor distributed Bragg reflectors, it is preferable to use a material that is crystal-grown on the GaP substrate. However, either or both of the first and second reflectors are used. Both the active region and crystal growth on the GaAs substrate and bonding the GaP substrate have an effect of heat dissipation by the GaP substrate.
[0050]
Seventh embodiment
The manufacturing method of the surface-emitting type semiconductor laser according to the seventh embodiment of the present invention includes a step of crystal-growing a first semiconductor distributed Bragg reflector on a GaP substrate, and a second semiconductor distributed Bragg reflector and an activity on a GaAs substrate. The method has a step of crystal-growing the region and a step of bonding the active region and the first semiconductor distributed Bragg reflector.
[0051]
An AlGaP-based material using AlP and GaP as a termination material used for the first reflecting mirror has a lattice constant close to that of GaP, and can grow crystals on a GaP substrate, with a large difference in refractive index. This is the same tendency as the AlGaAs-based material having AlAs and GaAs as termination substances. Further, for example, in the 0.6 μm wavelength band, an active region including an active layer can be formed of an AlGaInP-based material that can be grown on a GaAs substrate without misfit dislocations. The second semiconductor distributed Bragg reflector can be formed on the GaAs substrate using an AlGaAs-based material continuously with the active region. The surface emitting semiconductor laser can be formed by bonding them. As a bonding method, the respective surfaces can be washed and bonded together, and bonded by performing a heat treatment at a high temperature such as 600 ° C.
[0052]
Eighth embodiment
The surface-emitting type semiconductor laser according to the eighth embodiment of the present invention is the same as the surface-emitting type semiconductor laser according to the fourth or sixth embodiment, except that the active region is made of a material lattice-matched to GaAs and the material lattice-matched to GaP. A part of a semiconductor distributed Bragg reflector made of a material lattice-matched to GaAs is formed between the semiconductor distributed Bragg reflector made of GaAs, and the semiconductor distributed Bragg reflector made of a material lattice-matched to GaP and the GaAs It is characterized in that a part of a semiconductor distributed Bragg reflector made of a material lattice-matched to is bonded.
[0053]
When the wafer bonding interface is in the vicinity of the active layer, the heat generated in the active layer and the confined light act to activate the crystal defect due to the difference in the lattice constant between the GaP material and the GaAs material. May affect the layer and reduce reliability. As in the eighth embodiment, an AlGaAs-based reflecting mirror lattice-matched to the GaAs substrate is provided between the wafer bonding interface and the active layer, and the active layer and the bonding interface are kept away from each other to prevent the above-described influence. be able to.
[0054]
Ninth embodiment
The surface emitting semiconductor laser according to the ninth embodiment of the present invention is the surface emitting semiconductor laser according to the fourth, sixth or eighth embodiment, wherein the semiconductor substrate is a GaP substrate, It is characterized by being made from the GaP substrate side.
[0055]
The GaP substrate is transparent to light having a wavelength longer than about 0.55 μm, and light can be extracted. Therefore, a so-called junction down mounting in which a heat sink or the like can be attached on the side where heat generation occurs mainly, heat dissipation can be extremely improved, and temperature characteristics can be improved. Also, if wiring or the like is prepared on the mounting substrate and bonding is performed via solder or the like, wire bonding becomes unnecessary, so that the array element is particularly effective in terms of economy.
[0056]
Tenth embodiment
The surface emitting semiconductor laser according to the tenth embodiment of the present invention is the same as the surface emitting semiconductor laser according to the fourth, sixth, eighth, or ninth embodiment, but selectively uses AlAs mainly composed of Al and As. It is characterized by having an oxidized current narrowing layer.
[0057]
Al_xGa_1-xOxidation experiments have shown that adding P to As decreases the refractive index and decreases the oxidation rate. It is well known that when Ga or In is added to AlAs, the oxidation rate rapidly decreases as the Ga or In composition increases, but the behavior when P is added has not been known. Therefore, AlAs on a GaAs substrate and GaAs grown on the GaAs substrate via a composition gradient layer._0.6P_0.4AlAs on epi substrate_0.6P_0.4In contrast, oxidation with water vapor at high temperatures was performed. Each was 40 nm thick and sandwiched between the cladding layers, and mesa was formed by etching until the side surface of the selective oxidation layer appeared, and oxidation was performed from the side surface. As a result, AlAs is oxidized by 8 μm at 440 ° C. for 10 minutes._xO_yIt became. Meanwhile, AlAs_0.6P_0.4Was hardly oxidized even at 500 ° C. for 20 minutes. Therefore, it was found that the oxidation rate is reduced by containing P, even though the group III is only Al. That is, even if AlGaP-based DBR is AlP, the oxidation rate is extremely slow compared to AlAs. Therefore, it is not necessary to use AlGaAs having an Al composition smaller than that of the oxide layer for the DBR unlike the AlGaAs-based DBR, and AlGaP having a large Al composition can be used. Therefore, the oxidation of the semiconductor distributed Bragg reflector can be suppressed without reducing the refractive index difference of the semiconductor distributed Bragg reflector. Therefore, it is possible to achieve both reduction in power consumption and thinning of the surface emitting semiconductor laser.
[0058]
Eleventh embodiment
The surface emitting semiconductor laser according to the eleventh embodiment of the present invention is the surface emitting semiconductor laser according to the fourth, sixth, eighth, ninth or tenth embodiment, wherein the active region is at least Ga, In, P. And the wavelength is shorter than 0.78 μm.
[0059]
Since the AlGaP-based material has a larger band gap energy than the AlGaAs-based material, the AlGaP-based material transmits light having a wavelength longer than about 0.55 μm, and in particular, does not absorb light in a wavelength shorter than 0.78 μm. Can be used for a reflecting mirror, and a large difference in refractive index can be obtained. Therefore, a high reflectance of 99% or more can be obtained more easily than when an AlGaAs-based material is used. A semiconductor distributed Bragg reflector can be formed. Furthermore, since the thermal conductivity of the AlGaP-based material is larger than that of the AlGaAs-based material, heat dissipation is improved, temperature rise during operation can be suppressed, and temperature characteristics are improved. The AlGaInP-based material on the GaAs substrate can obtain a wavelength shorter than the 0.6 μm band to 0.78 μm. Therefore, according to the fourth, sixth, eighth, ninth, and tenth embodiments, a surface emitting semiconductor laser having a wavelength shorter than 0.78 μm using an active region made of an AlGaInP-based material is reduced. It can be manufactured with threshold, high output and good temperature characteristics. For example, a GaInP quantum well is used as the active layer, and AlGaInP can be used as a barrier layer or a spacer (cladding) layer.
[0060]
12th embodiment
A surface-emitting type semiconductor laser array according to a twelfth embodiment of the present invention is configured by the surface-emitting type semiconductor laser according to the eleventh embodiment.
[0061]
Since the surface emitting semiconductor laser of the present invention has improved heat generation and heat dissipation, in the case of an array, characteristic deterioration (threshold increase, output decrease, etc.) due to heat interference generated in other elements is reduced. A high performance surface emitting semiconductor laser array can be realized. Further, since the influence of heat on other elements can be reduced, there is an advantage that the interval between elements can be narrowed.
[0062]
13th embodiment
The optical transmission module according to the thirteenth embodiment of the present invention is the surface emitting semiconductor laser according to the fourth, sixth, eighth, ninth, tenth or eleventh embodiment, or the surface of the twelfth embodiment. A light emitting semiconductor laser array is used as a light source.
[0063]
Since the surface emitting semiconductor laser of the present invention has improved heat generation and heat dissipation, it has a low threshold value, can operate at a high temperature, has a high output, can transmit light using an acrylic POF, and is a cheap light source. An economical optical transmission module using a light emitting semiconductor laser and a cheap optical fiber POF can be realized.
[0064]
14th embodiment
The optical transceiver module according to the fourteenth embodiment of the present invention is the surface emitting semiconductor laser according to the fourth, sixth, eighth, ninth, tenth or eleventh embodiment, or the surface of the twelfth embodiment. A light emitting semiconductor laser array is used as a light source.
[0065]
Since the surface emitting semiconductor laser of the present invention has improved heat generation and heat dissipation, it has a low threshold value, can operate at a high temperature, has a high output, can transmit light using an acrylic POF, and is a cheap light source. An economical optical transceiver module using a light emitting semiconductor laser and a cheap optical fiber POF can be realized.
[0066]
15th embodiment
The optical communication system of the fifteenth embodiment of the present invention is the surface emitting semiconductor laser of the fourth, sixth, eighth, ninth, tenth or eleventh embodiment, or the surface of the twelfth embodiment. A light emitting semiconductor laser array is used as a light source.
[0067]
Since the surface emitting semiconductor laser of the present invention has improved heat generation and heat dissipation, it has a low threshold value, can operate at a high temperature, has a high output, can transmit light using an acrylic POF, and is a cheap light source. An economical optical communication system using a light emitting semiconductor laser and a cheap optical fiber POF can be realized. Since a surface emitting semiconductor laser is used, it is capable of high-speed transmission as compared with the case of using an LED, and is extremely economical. In particular, an optical communication system in a general home or office room or in equipment. It is effective to use for.
[0068]
Sixteenth embodiment
An optical writing system (for example, a laser printer) according to a sixteenth embodiment of the present invention is the surface emitting semiconductor laser according to the fourth, sixth, eighth, ninth, tenth or eleventh embodiment, or The surface-emitting type semiconductor laser array of the twelfth embodiment is used as a light source.
[0069]
The surface emitting semiconductor laser is advantageous for low power consumption operation and can reduce the temperature rise in a box like a printer. Also, in the case of a surface emitting type, since it is easy to form an array and is formed by a normal semiconductor process, the element position system is high, and at the same time, writing with multi-beams is facilitated, and the writing speed is greatly improved, Even if the writing dot density increases, printing can be performed without reducing the printing speed. Also, if the writing dot density is the same, the printing speed can be increased.
[0070]
Seventeenth embodiment
The optical pickup system of the seventeenth embodiment of the present invention is the surface emitting semiconductor laser of the fourth, sixth, eighth, ninth, tenth or eleventh embodiment or the surface of the twelfth embodiment. A light emitting semiconductor laser array is used as a light source.
[0071]
The wavelength of the semiconductor laser, which is a light source for optical writing and reproduction on the medium, is 0.78 μm for CD and 0.65 μm for DVD. The surface-emitting type semiconductor laser consumes about one digit less power than the end-face type semiconductor laser, and the power lasts longer. Therefore, the present invention reproduces a 0.65 μm surface-emitting type semiconductor laser according to the present invention as well as a normal optical pickup system. A handy type optical pick-up system can be realized as a light source.
[0072]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0073]
First embodiment
FIG. 1 is a diagram showing a semiconductor distributed Bragg reflector according to a first embodiment of the present invention. In the semiconductor distributed Bragg reflector according to the first embodiment, the reflection design wavelength is set to 650 nm, and AlP and GaP are alternately stacked on the n-GaP substrate at a thickness of 1/4 times the reflection design wavelength in each medium. The AlP / GaP periodic structure thus grown was grown by a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method). Raw materials include TMG (trimethylgallium), TMA (trimethylaluminum), PH₃(Phosphine) and H as an n-type dopant₂Se (hydrogen selenide) was used. The carrier gas is H₂Was used. In addition, an AlGaP linear composition gradient layer having a thickness of 10 nm in which the Al composition is linearly changed from one value to the other value is inserted between AlP and GaP. The thickness is ¼ times the design wavelength. In the MOCVD method, since the composition of AlGaP can be controlled by changing the supply amount of the raw material, the composition gradient layer can be easily grown as compared with the MBE method (molecular beam epitaxy method).
[0074]
AlP and GaP have a large difference in refractive index, a large band gap, and the AlGaP-based material does not absorb light in a wavelength band longer than 550 nm. Therefore, a high reflectance can be obtained with a small number of layers even at a wavelength of 650 nm. Furthermore, the resistance could be reduced by inserting a composition gradient layer.
[0075]
Second embodiment
FIG. 2 is a diagram showing a surface emitting semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention.
[0076]
As shown in FIG. 2, the surface-emitting type semiconductor laser device according to the second embodiment has a periodic structure in which n-AlP and n-GaP are alternately stacked on an n-GaP substrate (for example, 24.5 periods). An n-semiconductor distributed Bragg reflector (first semiconductor distributed Bragg reflector: also simply referred to as a first reflector) is formed. An n-GaP first cap layer is formed on the first reflecting mirror to form a first reflecting mirror structure. In the first reflector structure, a linear composition gradient layer having a thickness of 20 nm, in which the Al composition is linearly changed from one value to the other value, is inserted between AlP and GaP. The thickness including the inclined layer is ¼ times the oscillation wavelength in the medium. Specifically, between AlP and GaP, as a linear composition gradient layer, Al_zGa_1-zP (0 ≦ y <z <x ≦ 1) is provided. By providing this linear composition gradient layer, when electricity flows through the first reflecting mirror structure, the band discontinuity between AlP and GaP can be smoothed, and high resistance can be suppressed. . Note that the composition z of the linear composition gradient layer may be changed stepwise or continuously. In addition, it is preferable that the linear composition gradient layer is thick as long as the reflectance is sufficient. Since AlP has a lattice constant close to that of GaP, the thickness is less than the critical film thickness, and the first reflector structure is a material system that substantially lattice matches with the GaP substrate.
[0077]
On such a first reflector structure, n-Ga having a tensile strain composition with respect to the GaAs substrate._0.6In_0.4P second cap layer, lattice matched to GaAs substrate (Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P first spacer (cladding) layer, Ga having compressive strain composition with respect to GaAs substrate_0.4In_0.6Lattice matched to P well layer and GaAs substrate (Al_0.5Ga_0.5)_0.5In_0.5Quantum well active layer composed of P barrier layer, (Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5A P second spacer (cladding) layer is formed.
[0078]
And on top of that, p-Al_xGa_1-xAs (x = 0.95) and p-Al_yGa_1-yA p-semiconductor distributed Bragg reflector (second semiconductor distributed Bragg reflector: simply referred to as a second reflector) having a periodic structure in which As (y = 0.5) are alternately laminated (for example, 50 periods) is formed. ing. In this second reflecting mirror, p-Al_xGa_1-xAs (x = 0.95) and p-Al_yGa_1-yBetween As (y = 0.5), a linear composition gradient layer having a thickness of 20 nm in which the Al composition is linearly changed from one value to the other is inserted, and the linear composition gradient layer is included. Thus, the thickness is ¼ times the oscillation wavelength in the medium. Specifically, as the linear composition gradient layer, Al_zGa_1-zAs (0 ≦ y <z <x ≦ 1) is provided.
[0079]
A p-GaAs contact layer is formed on the top. Since GaAs is a composition that absorbs oscillation light, it must be thinned, and the uppermost p-Al_yGa_1-yIt is necessary to make the thickness including As (y = 0.5) and GaAs so that the reflectance does not decrease. The uppermost GaAs layer is a contact layer that contacts the electrode. Further, the thickness between the first reflecting mirror and the second reflecting mirror was set to a thickness corresponding to one wavelength of the oscillation wavelength (so-called lambda cavity).
[0080]
The wafer of the surface-emitting type semiconductor laser of the second embodiment is manufactured as follows.
[0081]
That is, as shown in FIG. 3A, a first reflecting mirror and an n-GaP first cap layer having a periodic structure in which n-AlP and n-GaP are alternately stacked are formed on an n-GaP substrate. To do.
[0082]
Further, as shown in FIG. 3B, a GaInP etching stop layer, a p-GaAs contact layer, p-Al on the p-GaAs substrate._yGa_1-yAs (y = 0.5) and p-Al_xGa_1-xA second reflecting mirror in which As (x = 0.95) is alternately laminated is formed, and further, (Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P second spacer (cladding) layer, GaInP / AlGaInP quantum well active layer, (Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P first spacer (cladding) layer, n-Ga_0.6In_0.4A P second cap layer is formed.
[0083]
Crystal growth was performed by the MOCVD method. Raw materials include TMG (trimethylgallium), TMA (trimethylaluminum), TMI (trimethylindium), PH₃(Phosphine), AsH₃(Arsine), H as n-type dopant₂Se (hydrogen selenide), CBr as p-type dopant₄Was used. The carrier gas is H₂Was used. In the MOCVD method, a structure such as a composition gradient layer can be easily formed by controlling the supply amount of the source gas. Therefore, the MOCVD method is suitable as a crystal growth method for a surface emitting semiconductor laser including DBR. In addition, the high vacuum as in the MBE method is not required, and the supply flow rate and supply time of the raw material gas can be controlled, so that the mass productivity is excellent.
[0084]
Then, the crystal growth surfaces of the two growth substrates shown in FIGS. 3A and 3B are cleaned and brought into close contact with each other at room temperature.₂Adhere by heat treatment in atmosphere. Thereafter, the GaAs substrate is chemically etched away to the GaInP etching stop layer. When a sulfuric acid-based etching solution is used, a phosphorus-based material such as GaInP is not etched and can be controlled. Further, this time, the GaInP etching stop layer is selectively etched with a hydrochloric acid-based etchant. If a hydrochloric acid-based etchant is used, the phosphorus-based material is etched, and GaAs or the like is not etched. Thereby, the surface of the p-GaAs contact layer can be exposed.
[0085]
As a result, a wafer was formed in which an n-AlGaP-based DBR (first reflecting mirror), an AlGaInP-based active region, and a p-AlGaAs-based DBR (second reflecting mirror) were stacked on an n-GaP substrate.
[0086]
In the second embodiment, the portion outside the current path is replaced with protons (H⁺) An insulating layer (high resistance portion) is formed by irradiation to form a current narrowing portion. Then, a p-side electrode is formed on the p-contact layer, which is the uppermost layer of the second reflecting mirror, except for the light emitting portion, and an n-side electrode is formed on the back surface of the GaP substrate.
[0087]
The AlGaP-based DBR has a larger band gap than the AlGaAs-based DBR, and in the short wavelength band, the absorption is small and a high reflectance can be obtained with a small number of layers. In addition, the GaP substrate has a higher thermal conductivity than the GaAs substrate, and the AlGaP-based DBR has a higher thermal conductivity than the AlGaAs-based DBR, thereby improving heat dissipation and being compared with an element formed on the GaAs substrate. The threshold was low, the output was high, and continuous operation was possible up to high temperatures.
[0088]
Note that surface emitting semiconductor lasers utilizing wafer bonding technology have been proposed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 7-335967, 11-103125, 2001-68783, etc., but these are in the 1.3 μm and 1.55 μm bands. In the long wavelength band. In this wavelength band, the material system on the InP substrate is mainly used as the active layer, but no excellent reflecting mirror material is found on the substrate, and it depends on the AlGaAs material on the GaAs substrate used in the 0.85 μm band or the like. Adhering an excellent reflector. On the other hand, in the present invention, an AlGaP-based material capable of crystal growth on a GaP substrate is used for the reflecting mirror, and the configuration and operational effects are different from those of the conventional examples.
[0089]
Third embodiment
FIG. 4 is a view showing a surface emitting semiconductor laser element according to a third embodiment of the present invention.
[0090]
The third embodiment is different from the second embodiment mainly in that current confinement is performed not by proton irradiation but by selective oxidation of the AlAs layer.
[0091]
That is, in this third embodiment, a part of the low refractive index layer closest to the active layer of the p-side DBR is an AlAs layer. Then, a mesa having a predetermined size is formed by exposing at least the side surface of the p-AlAs selective oxidation layer, and the AlAs appearing on the side surface is oxidized from the side surface with water vapor to form Al._xO_yA current constricting layer was formed. Next, the etched portion is filled with polyimide and planarized, the polyimide on the upper reflector having the p contact layer and the light emitting portion is removed, and a p-side electrode is formed in addition to the light emitting portion on the p contact layer, and the substrate An n-side electrode was formed on the back surface of the substrate.
[0092]
In addition, the threshold current was low because the current was narrowed by selective oxidation of the selective oxidation layer mainly composed of Al and As. According to the current narrowing structure using the current narrowing layer made of the Al oxide film that selectively oxidizes the selective oxidation layer, the current spreading can be suppressed by forming the current narrowing layer close to the active layer, so that it can be exposed to the atmosphere. It is possible to confine carriers efficiently in a minute area. Furthermore, the Al oxide film is oxidized to reduce the refractive index, and the light can be efficiently confined in the minute region where the carrier is confined by the effect of the convex lens, and the efficiency is improved and the threshold current is reduced. be able to. In addition, since the current narrowing structure can be easily formed, the manufacturing cost can be reduced.
[0093]
Fourth embodiment
FIG. 5 is a view showing a surface emitting semiconductor laser element according to a fourth embodiment of the present invention.
[0094]
The difference between the fourth embodiment and the third embodiment is that light extraction is performed on the GaP substrate side. For this reason, unlike the third embodiment, the reflectance of the first reflecting mirror is made lower than the reflectance of the second reflecting mirror. Further, a light extraction window was formed on the back surface of the GaP substrate, and a non-reflective film was further formed. And it was mounted on the heat sink by junction down.
[0095]
Conventionally, an AlGaInP-based red surface emitting semiconductor laser formed on a GaAs substrate could not have a substrate-side light extraction structure because GaAs absorbs light, but in the present invention, since the substrate is GaP, The light extraction structure was made possible, so that junction down mounting was possible, and the heat dissipation was further improved. Therefore, continuous operation was possible up to a higher temperature.
[0096]
In addition, since the substrate-side light extraction structure is used, when integrated with an array element or other functional elements, soldering is performed on a separate substrate on which a wiring structure is formed in advance without using wire bonding for connection to a drive circuit or the like. Bonding can be performed via a conductive adhesive such as the above, and the cost can be reduced.
[0097]
Fifth embodiment
FIG. 6 is a view showing a surface emitting semiconductor laser element according to a fifth embodiment of the present invention.
[0098]
The fifth embodiment is different from the third embodiment mainly in that an AlGaAs DBR lattice-matched with the GaAs substrate is formed between the wafer bonding interface and the active layer. That is, in the fifth embodiment, the first reflecting mirror is formed in two stages of the AlGaP first reflecting mirror (A) and the AlGaAs first reflecting mirror (B). In the fifth embodiment, five pairs of AlGaAs DBRs are used. In the fifth embodiment, the AlGaAs DBR is made of n-Al._xGa_1-xAs (x = 0.95) and n-Al_yGa_1-yAs (y = 0.5) is laminated alternately, and the uppermost layer (low refractive index layer) serving as the wafer bonding interface is n-Ga._xIn_1-xA P (x = 0.6) second cap layer was obtained. The total thickness of the GaP first cap layer, which is the uppermost layer on the GaP substrate, and the GaInP second cap layer, which is the uppermost layer of the GaAs substrate, is an odd multiple of λ / 4.
[0099]
If the wafer bonding interface is in the vicinity of the active layer, crystal defects due to the difference in lattice constant between the GaP-based material and the GaAs-based material may affect the active layer and reduce the reliability. By providing an AlGaAs DBR lattice-matched to the GaAs substrate between the wafer bonding interface and the active layer as in the example, the above influence can be eliminated.
[0100]
Sixth embodiment
FIG. 7 is a view showing a surface emitting semiconductor laser element according to a sixth embodiment of the present invention.
[0101]
The sixth embodiment is different from the fifth embodiment mainly in that an AlGaP DBR lattice-matched to the GaP substrate is also used for the second reflecting mirror.
[0102]
The surface emitting semiconductor laser wafer of the sixth embodiment is manufactured as follows.
[0103]
That is, as shown in FIG. 8A, the first reflecting mirror (A) having a periodic structure in which 29.5 pairs of n-AlP and n-GaP are stacked on an n-GaP substrate, One cap layer is formed and used as an epi-wafer 1.
[0104]
Further, as shown in FIG. 8B, a periodic structure in which a GaPAs etching stop layer, a p-GaP contact layer, and 19.5 pairs of p-AlP and p-GaP are stacked on a p-GaP substrate. Two reflecting mirrors (A) and a p-GaP third cap layer are formed, and this is used as an epi-wafer 2.
[0105]
Further, as shown in FIG. 8C, a p-GaInP fourth cap layer, p-Al on the p-GaAs substrate._xGa_1-xAs (x = 0.95) and p-Al_yGa_1-yA second reflecting mirror (B) in which 4.5 pairs of As (y = 0.5) are alternately laminated is formed, and further, (Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P second spacer layer (cladding layer), GaInP / AlGaInP quantum well active layer, (Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P first spacer layer (cladding layer), n-Al_xGa_1-xAs (x = 0.95) and n-Al_yGa_1-yA first reflector (B) in which 4.5 pairs of As (y = 0.5) are alternately stacked and an n-GaInP second cap layer are formed, and this is used as an epi-wafer 3. In the sixth embodiment, a part of the low refractive index layer closest to the active layer of the p-side DBR is an AlAs selectively oxidized layer.
[0106]
A composition gradient layer was inserted between the low refractive index layer and the high refractive index layer of each reflecting mirror. Crystal growth was performed by the MOCVD method. Raw materials include TMG (trimethylgallium), TMA (trimethylaluminum), PH₃(Phosphine), AsH₃(Arsine), H as n-type dopant₂Se (hydrogen selenide), CBr as p-type dopant₄Was used. The carrier gas is H₂Was used. The MOCVD method is suitable as a crystal growth method for a surface emitting semiconductor laser including DBR, because a composition such as a composition gradient layer can be easily formed by controlling the supply amount of the source gas. Further, high vacuum like the MBE method is not required, and the supply flow rate and supply time of the raw material gas may be controlled, so that the mass productivity is excellent.
[0107]
In this sixth embodiment, first, the crystal growth surfaces of the two growth substrates of the epi-wafer 1 and the epi-wafer 3 are cleaned and brought into close contact with each other at a room temperature, and thereafter H is grown at a high temperature (for example, 600 ° C.).₂Adhere by heat treatment in atmosphere. Thereafter, the GaAs substrate is chemically removed by etching until the p-GaInP fourth cap layer appears. When a sulfuric acid-based etching solution is used, a phosphorus-based material such as GaInP is not etched and can be controlled. Thereby, the surface of the p-GaInP fourth cap layer appeared.
[0108]
Next, the crystal growth surfaces of the two growth substrates of the bonded wafer and the epi wafer 2 are cleaned and brought into close contact with each other at room temperature, and then H is applied at a high temperature (for example, 600 ° C.).₂Adhere by heat treatment in atmosphere. Thereafter, the p-GaP substrate of the epi-wafer 2 is chemically removed to the GaPAs etching stop layer. When a hydrochloric acid-based etchant is used, arsenic materials such as GaPAs are not etched and can be controlled. Furthermore, this time, the GaPAs etching stop layer is selectively etched with a sulfuric acid-based etchant. If a sulfuric acid-based etchant is used, the arsenic material is etched, and GaP or the like is not etched. Thereby, the surface of the p-GaP contact layer appeared.
[0109]
Thereby, a DBR having a two-stage structure of n-AlGaP and n-AlGaAs is stacked on the n-GaP substrate, and a DBR having a two-stage structure of AlGaInP and p-AlGaAs and p-AlGaP is stacked. The surface-emitting type semiconductor laser wafer shown in FIG. 7 was formed.
[0110]
In the sixth embodiment, a mesa having a predetermined size is formed by exposing at least the side surface of the p-AlAs selectively oxidized layer, and AlAs appearing on the side surface is oxidized from the side surface with water vapor to form Al._xO_yA current narrowing portion was formed. Next, the etched portion is filled with polyimide and flattened, the polyimide on the upper reflector having the p contact layer and the light emitting portion is removed, and a p-side electrode is formed in addition to the light emitting portion on the p contact layer. In addition, an n-side electrode was formed on the back surface of the substrate.
[0111]
The AlGaP-based DBR has a larger material band gap than the AlGaAs-based DBR, and in the short wavelength band, the number of stacked layers is small, and light absorption is small, and a high reflectance can be obtained. In addition, the GaP substrate has a higher thermal conductivity than the GaAs substrate, and the AlGaP-based DBR has a higher thermal conductivity than the AlGaAs-based DBR, so that heat dissipation is improved and compared with an element formed on the GaAs substrate. The threshold was small, the output was large, and continuous operation was possible up to high temperatures.
[0112]
In AlGaAs DBR, AlAs and GaAs are suitable materials for DBR because of the large difference in refractive index. However, as the wavelength of the laser becomes shorter, the Al composition of the high refractive index layer needs to be increased in order to avoid light absorption. There is. For this reason, for example, at a wavelength of 650 nm, the high refractive index layer is made of Al._0.5Ga_0.5As is often used. Therefore, the difference in refractive index with the low refractive index layer is about half that of the combination with AlAs / GaAs, and the number of stacked layers is increased by about twice to obtain the required reflectance. Furthermore, when the number of stacked layers increases, the film thickness fluctuates, and since it is not a DBR composition that completely suppresses light absorption, it becomes difficult to obtain a high reflectance due to absorption. There is a problem of deteriorating the characteristics of the laser.
[0113]
On the other hand, when an AlGaP-based material is used for the reflecting mirror, it becomes transparent to wavelengths longer than 550 nm, and any composition between GaP and AlP can be used at these wavelengths. Thereby, a large difference in refractive index can be obtained, crystal growth is easy without increasing the number of stacked layers, and high reflectivity can be easily obtained.
[0114]
Further, in the surface emitting semiconductor laser, the resistance is likely to be high due to the band discontinuity between the low refractive index layer and the high refractive index layer constituting the DBR, so that a composition gradient layer is inserted as shown in the first embodiment. To reduce resistance. According to the document “Appl. Phys. Lett. Vol. 60, No. 5, 1992, pp630-632” by Sandip et al., The band discontinuity between AlP and GaP is the same for both AlAs and GaAs. It is about the same as that of As described above, when the AlGaP-based material is used for the DBR, the number of stacked layers can be reduced to about half, so the number of heterojunctions that cause the increase in resistance is reduced to about half, the resistance can be reduced, and the heat generation in the DBR is reduced. be able to.
[0115]
Seventh embodiment
FIG. 9 is a diagram (top view) showing a surface emitting semiconductor laser array (surface emitting semiconductor laser array chip) according to a seventh embodiment of the present invention.
[0116]
In the surface emitting semiconductor laser array of the seventh embodiment, 10 elements of the surface emitting semiconductor laser of the sixth embodiment are arranged in one dimension. However, p and n were reversed from those of the surface emitting semiconductor laser of the sixth example. In the example of FIG. 9, the surface emitting semiconductor laser of the sixth embodiment is integrated one-dimensionally, but the surface emitting semiconductor laser of the sixth embodiment may be integrated two-dimensionally. That is, the surface emitting semiconductor laser array of the seventh embodiment is formed on a p-type GaP semiconductor substrate, an n-side individual electrode is formed on the top surface, and a p-side common electrode is formed on the back surface. Here, the oscillation wavelength of this surface emitting semiconductor laser array was 650 nm. Moreover, since the heat generation was reduced and the heat radiation was improved, the adjacent elements were not adversely affected.
[0117]
Eighth embodiment
FIG. 10 is a diagram showing an optical transmission module of the eighth embodiment, which is a combination of the surface emitting semiconductor laser array chip of the seventh embodiment and an inexpensive acrylic POF (plastic optical fiber). . In the eighth embodiment, laser light from a surface emitting semiconductor laser is input to the POF and transmitted. Here, acrylic POF has a bottom of absorption loss at a wavelength of 650 nm, and therefore this wavelength is preferable. In the field of optical communication, parallel transmission using a laser array in which a plurality of semiconductor lasers are integrated has been attempted in order to transmit more data at the same time. As a result, high-speed parallel transmission is possible, and more data than before can be transmitted simultaneously.
[0118]
In the example of FIG. 10, the surface emitting semiconductor laser elements and the optical fibers are made to correspond one-to-one. However, a plurality of surface emitting semiconductor laser elements having different oscillation wavelengths are arranged in an array in one or two dimensions. By performing wavelength division multiplexing transmission, the transmission speed can be further increased.
[0119]
Further, in the eighth embodiment, since the inexpensive surface emitting semiconductor laser element according to the present invention and the inexpensive POF are combined, a low-cost optical transmission module can be realized, and further, a low-cost using the same can be realized. An optical communication system can be realized. Since POF is not transparent compared to quartz fiber, it is not suitable for long-distance transmission and is extremely low cost. Therefore, it is effective for short-distance data communication for home use, office indoor use, and equipment use. is there.
[0120]
Ninth embodiment
FIG. 11 is a diagram showing an optical transceiver module according to the ninth embodiment of the present invention, which is a combination of the surface emitting semiconductor laser element, the receiving photodiode and the acrylic POF according to the sixth embodiment. Yes.
[0121]
When the surface-emitting type semiconductor laser device according to the present invention is used in an optical communication system, the surface-emitting type semiconductor laser device and the POF are low-cost, and therefore, as shown in FIG. It is possible to realize a low-cost optical communication system using an optical transmission / reception module in which a reception photodiode and a POF are combined. Further, POF has a large fiber diameter, is easy to couple with the fiber, and can reduce the mounting cost, so that an extremely low cost module can be realized. Further, in the case of the surface emitting semiconductor laser device according to the present invention, the temperature characteristics are good and the low threshold value makes it possible to realize a lower cost system that generates less heat and can be used without cooling to a high temperature. .
[0122]
As an optical communication system using the surface emitting semiconductor laser element according to the present invention, transmission between devices such as a LAN (Local Area Network) using an optical fiber, data transmission between boards in the device, In particular, it can be used for short-range communication as an optical interconnection between LSIs and between elements in LSIs.
[0123]
That is, although the processing performance of LSIs and the like has improved in recent years, the transmission speed of the portion connecting them will become a bottleneck in the future. When the signal connection in the system is changed from the conventional electrical connection to the optical interconnection (for example, between the boards of the computer system, between the LSIs in the board, between the elements in the LSI, etc., the optical transmission module and the optical transmission / reception module according to the present invention) ), An ultra-high speed computer system is possible.
[0124]
In addition, when a plurality of computer systems are connected using the optical transmission module or the optical transmission / reception module according to the present invention, an ultra-high speed network system can be constructed. In particular, the surface emitting semiconductor laser element is suitable for a parallel transmission type optical communication system because it can reduce power consumption by an order of magnitude compared with the edge emitting laser and can easily form a two-dimensional array.
[0125]
Tenth embodiment
FIG. 12 is a diagram showing a tenth embodiment of the present invention. That is, it is a diagram showing an optical scanning portion of a laser printer in which a surface-emitting type semiconductor laser array chip (16 beam VCSEL array) arranged in a 4 × 4 two-dimensional array having a wavelength of 650 nm and a photosensitive band drum are combined. FIG. 13 is a diagram (top view) showing a schematic configuration of the surface-emitting type semiconductor laser array chip in FIG. In the laser printers of FIGS. 12 and 13, by adjusting the lighting timing of the surface-emitting type semiconductor laser array chip arranged in a 4 × 4 two-dimensional manner, on the photosensitive band in the sub-scanning direction as shown in FIG. It can be considered that the configuration is similar to the case where the light sources are arranged at intervals of 20 μm.
[0126]
In the tenth embodiment, a plurality of beams from a surface emitting semiconductor laser array are rotated on a photosensitive polygon which is a surface to be scanned by rotating a polygon mirror for scanning at high speed using the same optical system. The laser beam is condensed and is scanned with a plurality of beams at a time.
[0127]
According to the tenth embodiment, writing can be performed on the photosensitive band at intervals of 20 μm in the sub-scanning direction. The interval in the sub-scanning direction corresponds to 1200 DPI (dots / inch). Further, the writing interval in the main scanning direction can be easily controlled by the lighting timing of the light source. With this laser printer, 16 dots could be written simultaneously, and high-speed printing was possible. Increasing the number of arrays enables higher speed printing. Further, the interval in the sub-scanning direction can be adjusted by adjusting the interval between the surface emitting semiconductor laser elements. That is, the density can be higher than 1200 DPI, and higher quality printing is possible. In order to increase the density, it is necessary to further reduce the beam diameter by using a lens system. However, there is a limit due to the wavelength, and it is preferable that the wavelength of the light source is short. Conventionally, in a surface emitting semiconductor laser, an element that can satisfy output, temperature characteristics and the like at a wavelength shorter than 780 nm has not been obtained. However, according to the present invention, an element of a practical level in the red (600 nm) wavelength region is obtained. Realized.
[0128]
In the tenth embodiment, the application example to the laser printer is shown. However, the surface emitting semiconductor laser of the present invention can also be applied to the optical pickup system. That is, it can also be used as a light source for recording and reproducing CDs and the like.
[0129]
【The invention's effect】
  As explained above, claims 1 toClaim 5According to the described invention, an active region including at least one active layer that generates laser light on a GaP semiconductor substrate, and upper reflectors provided above and below the active region to obtain laser light And a surface emitting semiconductor laser having a resonator structure including a lower reflecting mirror and having a wavelength shorter than 0.78 μm,
The active region is made of an AlGaInP-based material lattice-matched to GaAs, and at least the lower reflector is made of an AlGaP-based material lattice-matched to GaP so that the refractive index is small._xGa_1-xP (0 <x ≦ 1) layer and Al with high refractive index_yGa_1-ySince it is a semiconductor distributed Bragg reflector in which a P (0 ≦ y <x ≦ 1) layer is laminated, it has a higher thermal conductivity than a surface emitting semiconductor laser using a conventional AlGaAs-based reflector, A surface-emitting semiconductor laser with improved heat dissipation and good temperature characteristics can be realized. In addition, since the AlGaP-based material has a wider gap than the AlGaAs-based material, particularly when the wavelength is shorter than 780 nm, a high reflectance can be easily obtained with a small number of layers, absorption is reduced, and a low threshold is obtained. Value and high output surface emitting semiconductor laser.
[0140]
  Also,Claim 6The invention described in claims 1 toClaim 5A surface-emitting semiconductor laser array comprising the surface-emitting semiconductor laser according to claim 1, whereinClaim 5Since the surface emitting semiconductor laser according to any one of the above has improved heat generation and heat dissipation, when this is used as an array, characteristic deterioration due to heat generated by other elements (threshold increase, output decrease) Etc.) and a high performance surface emitting semiconductor laser array can be realized. Further, since the influence of heat on other elements can be reduced, there is an advantage that the interval between elements can be narrowed.
[0141]
  Also,Claim 7The invention described in claims 1 toClaim 5The surface emitting semiconductor laser according to any one of the above, orClaim 6An optical transmitter module, wherein the surface-emitting type semiconductor laser array described above is used as a light source.Claim 5The surface emitting semiconductor laser according to any one of the above, orClaim 6The surface-emitting type semiconductor laser array described has improved heat generation and heat dissipation, so that it has a low threshold, can operate at high temperature, has high output, and can transmit light using acrylic POF, and is a cheap light source. An economical optical transmission module using a surface emitting semiconductor laser and a cheap optical fiber POF can be realized.
[0142]
  Also,Claim 8The invention described in claims 1 toClaim 5The surface emitting semiconductor laser according to any one of the above, orClaim 6An optical transmitter-receiver module, wherein the surface-emitting type semiconductor laser array described above is used as a light source.Claim 5The surface emitting semiconductor laser according to any one of the above, orClaim 6The surface-emitting type semiconductor laser array described has improved heat generation and heat dissipation, so that it has a low threshold, can operate at high temperature, has high output, and can transmit light using acrylic POF, and is a cheap light source. An economical optical transceiver module using a surface emitting semiconductor laser and a cheap optical fiber POF can be realized.
[0143]
  Also,Claim 9The invention described in claims 1 toClaim 5The surface emitting semiconductor laser according to any one of the above, orClaim 6An optical communication system, characterized in that the surface-emitting type semiconductor laser array described above is used as a light source.Claim 5The surface emitting semiconductor laser according to any one of the above, orClaim 6The surface-emitting type semiconductor laser array described has improved heat generation and heat dissipation, so that it has a low threshold, can operate at high temperature, has high output, and can transmit light using acrylic POF, and is a cheap light source. An economical optical communication system using a surface emitting semiconductor laser and a cheap optical fiber POF can be realized. Since a surface emitting semiconductor laser is used, it can be transmitted at high speed and is extremely economical, and it is particularly effective to be used in a short-distance optical communication system such as a general home or office room.
[0144]
  Also,Claim 10The invention described in claims 1 toClaim 5The surface emitting semiconductor laser according to any one of the above, orClaim 6The surface-emitting type semiconductor laser array described above is used as a light source, and is an optical writing system (specifically, for example, a laser printer). The surface-emitting type semiconductor laser is advantageous for low power consumption operation. Therefore, the temperature rise in the box like a printer can be reduced. In addition, since a surface-emitting laser is used, it is easy to form an array and can be formed by a normal semiconductor process. The position accuracy of the element is high, and simultaneously writing with multi-beams is facilitated. This is a significant improvement, and even if the writing dot density increases, printing can be performed without reducing the printing speed. Further, when the writing dot density is the same, the printing speed can be increased.
[0145]
  Also,Claim 11The invention described in claims 1 toClaim 5The surface emitting semiconductor laser according to any one of the above, orClaim 6The surface-emitting semiconductor laser array described above is used as a light source. The surface-emitting semiconductor laser consumes about one digit less power and lasts longer than an edge-emitting semiconductor laser. Therefore, not only a normal optical pickup system but also a handy type optical pickup system using a surface emitting semiconductor laser of 0.65 μm as a light source for reproduction according to the present invention is particularly effective.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a semiconductor distributed Bragg reflector according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a surface emitting semiconductor laser element according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a process for manufacturing a wafer of a surface emitting semiconductor laser according to a second embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing a surface emitting semiconductor laser element according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a surface-emitting type semiconductor laser device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a view showing a surface emitting semiconductor laser element according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a view showing a surface emitting semiconductor laser element according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing an example of a manufacturing process of a wafer of a surface emitting semiconductor laser according to a sixth embodiment.
FIG. 9 is a diagram (top view) showing a surface emitting semiconductor laser array (surface emitting semiconductor laser array chip) according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram illustrating an optical transmission module according to an eighth embodiment.
FIG. 11 is a diagram showing an optical transceiver module according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing a tenth embodiment of the present invention.
13 is a diagram (top view) showing a schematic configuration of the surface-emitting type semiconductor laser array chip in FIG. 12; FIG.

Claims

An active region including at least one active layer for generating laser light on a GaP semiconductor substrate, and a resonance including an upper reflecting mirror and a lower reflecting mirror provided above and below the active region to obtain laser light In a surface emitting semiconductor laser having a ceramic structure and having a wavelength shorter than 0.78 μm,
The active region is made of an AlGaInP-based material lattice-matched to GaAs, and at least the lower reflector is made of an AlGaP-based material lattice-matched to GaP and has a low refractive index, Al _x Ga _1-x P (0 < x ≦ 1) A semiconductor distributed Bragg reflector in which an Al _y Ga _1-y P (0 ≦ y <x ≦ 1) layer having a large refractive index is stacked , and light extraction is performed by the active A surface emitting semiconductor laser characterized in that the surface emitting semiconductor laser is formed from a side opposite to the GaP substrate with respect to the region .

2. The surface emitting semiconductor laser according to claim 1, wherein the lower reflecting mirror is made of an AlGaP material that lattice matches with the GaP, and the upper reflecting mirror is made of an AlGaAs material that lattice matches with GaAs. A surface emitting semiconductor laser.

3. The surface emitting semiconductor laser according to claim 1, wherein the lower reflecting mirror is an AlGaAs-based material lattice-matched to GaAs on a first reflecting mirror made of an AlGaP-based material lattice-matched to the GaP. A surface-emitting type semiconductor laser comprising: a second reflecting mirror comprising: a wafer bonding interface between the first reflecting mirror and the second reflecting mirror.

The surface-emitting type semiconductor laser according to any one of claims 1 to 3, wherein the semiconductor distributed Bragg reflector includes a layer having a small refractive index and a layer having a large refractive index. A surface emitting semiconductor laser comprising a semiconductor layer having a refractive index between two types of semiconductor layers having different refractive indexes.

5. The surface emitting semiconductor laser according to claim 2, further comprising a current narrowing layer obtained by selectively oxidizing AlAs mainly composed of Al and As in the upper reflecting mirror. A surface-emitting type semiconductor laser characterized by comprising:

A surface-emitting semiconductor laser array comprising the surface-emitting semiconductor laser according to any one of claims 1 to 5 .

The VCSEL according to any one of claims 1 to 5 or an optical transmission module, wherein the surface emitting semiconductor laser array according to claim 6, wherein is used as a light source.

The VCSEL according to any one of claims 1 to 5 or an optical transceiver module, wherein the surface emitting semiconductor laser array according to claim 6, wherein is used as a light source.

An optical communication system, wherein the surface-emitting semiconductor laser according to any one of claims 1 to 5 or the surface-emitting semiconductor laser array according to claim 6 is used as a light source.

Any surface-emitting type semiconductor laser according to one of claims 1 to 5 or an optical writing system, wherein the surface emitting semiconductor laser array according to claim 6, wherein is used as a light source.

An optical pickup system, wherein the surface-emitting type semiconductor laser according to any one of claims 1 to 5 or the surface-emitting type semiconductor laser array according to claim 6 is used as a light source.